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微观能量波动出现新测量方法用光学显微镜能“看到”能量转换!

发布时间:2018-06-27 05:55

     

  能量的转换,可以或许注释从细胞勾当到火箭上天的各类过程。在一个过程中,在细分的环境下,能量从一个系统中提取出来,并在另一个系统中利用,再在过程中以不异或分歧的形式转移到此外处所。

  比来,美国国度尺度手艺研究所 (NIST,National Institute of Standards and Technology) 和马里兰大学学院市分校(University of Maryland, College Park)研究人员在《天然——物理学》(Nature Physics)杂志上颁发了一种丈量自在能的新方式。通过用显微镜跟踪和阐发单分子或其他微观研究对象的能量波动或构型, 该方式将比已有的方式在微观层面的研究中更具普适性。

  图 研究中建立的自在能“地形图”(图片来历:Nature Physics)

  论文作者 David Ross 暗示:“自蒸汽机问世以来,科学家们通过度析系统中自在能的转换来理解复杂的系统。在编码或设想卵白质以及其他的单分子系统的工作中,这一理念将仍然合用。在微观层面进行丈量并不简单,我们此次开辟新方式对处理这个问题具有严重意义。”

  通过丈量系统发生改变时内部自在能的变化, 科学家便能在不跟踪研究每个构成个别的环境下计较出系统接下来会如何变化。

  在以前方式中, 科学家利用微型力传感器拉动卵白质或 DNA 分子, 就像拉伸或压缩一个微型弹簧, 来丈量系统放出能量时力和位置的变化。但这种力传感器会干扰本来的微观系统, 不克不及被用以研究不间接涉及位置变化的自在能转换。

  而此次的新方式通过用光学显微手艺跟踪微观系统的变化,进而在不需力传感器的环境下就能对系统内的自在能进行阐发。这将能协助科学家更好地舆得救观系统的内部工作,包罗病毒或细胞等生命系统内的各类过程, 如能源摄入、化学反映和维持细胞保存的分子勾当。

  图 位于微观层面能量阶梯上的两个 DNA 分子。阶梯会对 DNA 分子施加限制, 一般 DNA 分子大多会”下楼”以削减能量, 但有时它们也会在有能量波动的时候“上楼”。(图源:Nature Physics)

  NIST 的合着者 Elizabeth Strychalski 暗示:“在阐发天然系统时, 通过更好的丈量自在能在微观层面的细小波动, 我们将能更好地舆解并最终把持这些波动。”

  在研究从高能形态起头的微观系统时,跟着系统因四周分子持续碰撞而进入“败坏”(弛豫)形态, 系统的性质也会发生显着的波动。在论文中被称为弛豫波动波谱法 (ReFlucS,Relaxation Fluctuation Spectroscopy) 的新方式中, 研究人员通过丈量这类波动来计较自在能的变化。

  图 显微图像显示 2 个 DNA 分子在“能量楼梯”上活动。竖直白线代表“楼梯”分歧的“阶”,也就是一个特定的能级。锯齿状的白色线代表分子的活动轨迹。字母标识表记标帜了统一分子在每分钟所处的位置。大大都位于右上的分子会“下楼”,而在左下的分子则是在上了两“阶”后又下了两“阶”。(图源:NIST)

  在 DNA 分子的例子中,分子被限制在一个雷同楼梯的微观空间。在让其“上楼”时, 分子位于“楼上”部门的压缩程度需比其位于“楼下”部门的高,因而位于“楼上”部门的分子将具有更高的自在能。在现实操作中,研究人员通过施加电场将 DNA 分子推到“楼顶”,随后封闭电场, 再用光学显微镜察看分子的活动。

  为了连结均衡,DNA 分子一般会在电场移除后削减照顾的自在能并“下楼”, 但因为是在微观层面上的波动,它们偶尔也会回到更多自在能的形态而“上楼”。通过度析 DNA 分子的活动, 研究人员便能获得相关系统自在能的消息,好比在分歧的位置有几多自在能以及哪里的能量高哪里的能量低。

  NIST 的论文合着者,Samuel Stavis 暗示:“该方式能为研究者供给此前研究自在能时无法获得的消息。”





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