מיקרוסקופ כוח פוטוני סופר-פתיר לאיתור כוחות אינטראקציה חלשים במיוחד בין ננו-חלקיקים ומשטחים. קרדיט: ליי דינג
צוות מחקר שיתופי פיתח שיטה חדשה למדידת זעיר ננומטרי כוחות בנוזלים, תוך שימוש בטכניקה המשפרת משמעותית את רגישות המדידה והרזולוציה. פריצת דרך זו עשויה לשנות את המחקר הביולוגי ולקדם טכנולוגיה ביו-רפואית.
מחקר פורץ דרך הציג שיטה חדשה למדידת כוחות קטנים ביותר בקנה מידה ננו בתוך סביבות מימיות, והרחיב את הבנתנו את התחום המיקרוסקופי.
ההתקדמות המשמעותית בננוטכנולוגיה הושגה על ידי חוקרים מאוניברסיטת Beihang בסין עם אוניברסיטת RMIT ומוסדות מובילים אחרים, כולל האוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה והאוניברסיטה לטכנולוגיה סידני.
הטכניקה החדשה, הכוללת מיקרוסקופ כוח פוטוני בעל פתרון-על (SRPFM), מסוגלת לזהות כוחות במים קטנים כמו 108.2 אטונוטון – קנה מידה כה דקה שהוא משתווה למדידת משקל של נגיף.
חוקר ראשי מאוניברסיטת בייהאנג, פרופסור פאן וואנג, אמר שהמפתח למדידה רגישה במיוחד זו טמון בשימוש בננו-חלקיקים מסוממים בלנתניד, הכלואים בפינצטה אופטית, המשמשים לאחר מכן לחקור את הכוחות הזעירים הפועלים בתוך מערכות ביולוגיות.
אתגרים במדידות ננומטריות
"הבנת הכוחות הזעירים הללו חיונית לחקר תהליכים ביו-מכאניים, שהם בסיסיים לפעולתם של תאים חיים", אמר. "עד עכשיו, מדידת כוחות קטנים כל כך עם דיוק גבוה בסביבה נוזלית הייתה אתגר משמעותי בגלל גורמים כמו חימום בדיקה ובעיות איתות חלשות."
טכניקת SRPFM שפותחה על ידי וואנג וצוותו נותנת מענה לאתגרים אלה על ידי שימוש בננוטכנולוגיה וטכניקות חישוביות מתקדמות.
על ידי מינוף לוקליזציה של רזולוציית-על המוסמכת על ידי רשת עצבית, הצוות מסוגל למדוד במדויק כיצד הננו-חלקיקים נעקרים על ידי כוחות זעירים בתוך תווך נוזלי.
המחבר הראשון של המחקר מאוניברסיטת RMIT, ד"ר ליי דינג, אמר שהחידוש הזה לא רק משפר את הרזולוציה והרגישות של מדידות כוח אלא גם ממזער את האנרגיה הנדרשת כדי ללכוד את הננו-חלקיקים, ובכך מפחית את הנזק הפוטנציאלי לדגימות ביולוגיות.
"השיטה שלנו יכולה לזהות כוחות עד ל-1.8 פמטוניוטונים לשורש ריבועי של רוחב הפס, שהוא קרוב לגבול התיאורטי שנכפה על ידי רעש תרמי", אמר דינג.
השלכות ויישומים
ההשלכות של מחקר זה הן עצומות, הוסיף ד"ר שוכן שאן, מחבר ראשון מאוניברסיטת Beihang
"על ידי מתן כלי חדש למדידת אירועים ביולוגיים ברמה המולקולרית, טכניקה זו יכולה לחולל מהפכה בהבנתנו של שורה של תופעות ביולוגיות ופיזיות", אמר שאן.
זה כולל הכל, החל מהאופן שבו חלבונים מתפקדים בתוך תאים אנושיים ועד לשיטות חדשות לגילוי מחלות בשלב מוקדם.
המחקר גם חקר את היישום של טכנולוגיה זו במדידת כוחות אלקטרופורזה הפועלים על ננו-חלקיקים בודדים ואת כוחות האינטראקציה בין DNA מולקולות וממשקים, חיוניים לפיתוח טכניקות הנדסה ביו-רפואית מתקדמות.
ממצאי הצוות לא רק סוללים את הדרך לתגליות מדעיות חדשות אלא יש להם גם יישומים פוטנציאליים בפיתוח כלים ננוטכנולוגיים חדשים ושיפור הרגישות של אבחון ביו-רפואי.
