پلاسمونیک و دنیای مولکولی - مجله پیکوشو

گرافیک ، نشان دهنده برنامه های کاربردی بالقوه و فعلی ای است که اکنون برای پلاسمونیک در حال کاوش شدن است ، از جمله در رداهای نامرئی گری ، رایانه های نوری بسیار سریع ، دستگاه های تصویربرداری با وضوح بالاتر ، حساسیت رنگ بهتر در دوربین ها ، سلول های خورشیدی نو ، اتصالات فیبر نوری سریعتر ، سرطان درمانی های تومور کُش، و لیزرها برای اتومبیل های خودران.

در نبرد با سرطان سینه ، داروی هرسپتین یک هم پیمان ثابت است و برخی از انواع تومورها را مهار می نماید و به زندگی طولانی تر یاری می نماید. با این وجود تقریباً همه سرطانها در نهایت مقاومت می نمایند.

تا همین اواخر ، علت اصلی این مقاومت ، بر محققان آشکار نبود. اما، در همین موقع، وِی وانگِ شیمیدان تکنیکی را برای ردیابی چگونگی اتصال مولکولهای منفرد هرسپتین به سلول های سرطانی توسعه داد. وی دریافت که پروتئینی در غشاهای سلول های مقاوم در حال از شکل انداختنِ مولکولهای گیرنده است که هرسپتین بر روی آنها چنگ می زند ، و به دارو دستگیره ای نمی دهد.

این بینش پزشکی مدیون فیزیک است - به طور خاص در زمینه توانایی فلزات برای هدایت نور در مقیاس های نانومتر ، که رشته ای تحقیقاتی شناخته شده تحت عنوان پلاسمونیک است. محققان با معرفی سلولهای سرطانی به هرسپتین از یک طرفِ یک ویفر طلا و مشاهده تغییرات در این که چگونه نور از طرف دیگر بیرون انداخته شد ، توانستند ببینند که چگونه این دو دسته - سلول سرطان و داروی سرطان - با هم تعامل دارند و بدین ترتیب مکانیسم قاطع مقاومت هرسپین را آشکار کردند.

قرن ها مردم از فلزات برای دستکاری گذرگاه نور استفاده می کردند ، گرچه تنها اخیراً از این پدیده برای درک بیماری هایی مانند سرطان استفاده شده است. ورق های بزرگ فلز براق - یا به عبارت دیگر آینه ها - مانند تابلوهای ورود ممنوع برای فوتون هاست و این ذرات نور را در حالت های عمدتاً تغییر نیافته بازتاب می دهد. اما پوسته های فلزی میکروسکوپیک متفاوت هستند: آنها بیشتر شبیه پلیس هدایت و رانندگی عمل می نمایند ، و اجازه می دهند رنگ های خاصی از نور عبور نمایند و دیگران را مسدود می نمایند.

یکی از قدیمی ترین نمونه های این پدیده در عمل ، یک جام رومی قرن چهارم است که با عنوان جام لیکورگوس شناخته می گردد. به طور معمول ، جام شیشه ای سبز و مات به نظر می رسد. اما اگر جام را از داخل روشن کنید ، شیشه به رنگ قرمز نیمه شفاف می درخشد. این به این علت است که ذراتی به میزان نانومتر از طلا و نقره که در شیشه معلقند نور سبز را منعکس می نمایند و اجازه می دهند نور قرمز عبور کند.

در ساخت جام ، صنعتگران رومی اتفاقاً به یک هم افزایی بین الکترون ها ، فلزات و نور برخورد نموده بودند که هیچ کس برای 16 قرن دیگر نتوانست متوجه آن گردد: الکترون ها در برخی از فلزات، هنگامی که فقط با طول موج مناسب نور مرتعش شوند، تشدید خواهند شد، که این جهت خود نور را تغییر می دهد.

امروز ، رشته پلاسمونیک در حال شکوفایی است. در حدود 20 سال گذشته یا در همین حدود ، محققان رویکرد بسیار آگاهانه تری برای بهره برداری از این رفتار اتخاذ نموده اند و به ایجاد نانوساختارهای مناسب شده، که نور را در حجم هایی تقریباً به میزان مولکول های تکی فشرده و دستکاری می نمایند، پرداخته اند.

هَری اَتواتر، پیشگام پلاسمونیک کلتِک، می گوید توانایی تمرکز نور در مقیاس نانو اینگونه از کار عایدی که امتیاز چندین برنامه کاربردی بالقوه را دارد. بسیاری از کاربردها به حل مسائل مربوط به حسگری شیمیایی ، انتقال داده ، سرطان درمانی و ناوبری برای اتومبیلهای بدون راننده یاری می نمایند. اَتواتر می گوید: به همین علت این رشته بسیار هیجان انگیز است و به همین علت بسیار وادار نماینده است ... بسیار بین رشته ای است.

توانایی دستکاری نور و الکترون ها با دقت نانومتر، اینگونه از کار در آمد که در طیف گسترده ای از کاربردها مفید است مانند تصویربرداری سوپر hi-res ، روشهای درمانی هدفمند برای تومورها ، هدایت برای اتومبیل های خودران، و شاید برای حتی اهداف خیالی تر، مثل نامرئی کردن اشیاء روزمره.

پرتو افکنی نور بر روی مولکولهای زیستی

یکی از پیروز ترین کاربردهای پلاسمونیک ، حسگر زیستی است که در آن محققان سعی می نمایند وجود (یا عدم حضور) مولکولهای بیولوژیکی مرتبط را تشخیص دهند. به طور معمول ، این موارد برای تماشا با نور بسیار کوچک هستند و اگرچه روش هایی برای برچسب زدن بر آنها وجود دارد ، این تکنیک ها اغلب گران یا دست و پا گیر هستند یا مولکول ها را به روش هایی که مانع مطالعه آنها می گردد ، تغییر می دهند. الکترون ها در برخی از فلزات، هنگامی که فقط با طول موج مناسب نور مرتعش شوند، تشدید خواهند شد، که این جهت خود نور را تغییر می دهد. جایگزین ارائه شده دیگر، پلاسمونیک است که در آن نور به حجم های مولکولی محدود می گردد. در چنین شرایطی ، آنچه شما می توانید به دست بیاورید تعامل بسیار قوی نور با ماده است ، این گفته هتیس آلتوگ ، محقق موسسه فدرال فناوری در لوزان سوئیس است. و همین امر باعث می گردد نور نسبت به تغییرات یا وجود مولکولهای منفرد در آن حجم بسیار حساس باشد. (برای یک آنالیز جامع تر چگونگی یاری پلاسمونیک به حسگری زیستی ، این مقاله 2018 صفحه ای را در مجله مرورهای شیمیایی ببینید.)

وانگ ، از دانشگاه نانجینگ چین ، و همکارانش می خواستند این توان را به رشته داروسازی بکشانند. بخشی از فرایند طراحی داروهای نو ، درک چگونگی تعامل مولکولها با سلولهای بدن است ، اما این امر معمولاً احتیاج به دیده بانی بر تعامل یک سلول در یک زمان دارد ، که شدیداً پرزحمت است. وانگ می گوید اگر راه هایی برای تماشا مولکول های دارویی زیاد در حال تعامل همزمان با سلول هایی زیاد وجود می داشت ، این امر واقعاً می توانست سرعت کار را افزایش دهد.

یک روش سعی و خطا شده برای ردیابی چنین فعل و انفعالاتی ، الکتروشیمیایی است - هدایت یک جریان الکتریکی به وسیله مجموعه ای از مولکول ها و سلول ها. با ردیابی تغییرات در جریان، محققان می توانند نرخی که در آن مولکول ها به سلول ها می چسبند و از آنها جدا می شوند را میزان گیری نمایند.

منبع: کریستوفر کراکت