[논문 리뷰] Multiplexed plasmonic nanoantennas for high throughput single molecule nanoscale dynamics in living cells

Pamina M. Winkler, Thomas S. van Zanten외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 28.

Plasmonic and Surface Plasmon Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 sCMOS 검출과 통합된 복수의 플라스모닉 나노안테나를 도입하여 살아있는 세포막에서 나노스케일 해상도로 고-throughput 단일분자 추적을 가능하게 한다. 1kHz에서 동시에 225개의 안테나-박스 구조를 조사함으로써, 이 방법은 밀리초 이하의 시간 해상도와 1nm 축 방향 국소화 정확도를 달성하여 단일분자 동역학 연구에서 순차적 조사의 처리 능력 한계를 초월한다.

ABSTRACT

Single molecule detection has revolutionised the fields of chemistry and biology by offering powerful ways to study individual molecules under different scenarios. Nanophotonic structures, including plasmonic antennas, significantly overcome the concentration limit at which single molecule events can be observed, enabling their detection at concentrations that are relevant to biological and chemical processes. Although antennas can be fabricated in large arrays, probing dynamic events requires high temporal resolution, which is best achieved by serial antenna interrogation. Unfortunately, this precludes the simultaneous recording from multiple antennas at different sample locations, and is time consuming, resulting in poor statistics and low-throughput data acquisition, abating the true potential of arrays. Here we exploit arrays of antenna-in-box nanostructures in combination with sCMOS readout to interrogate nanoscale volumes from 225 antennas simultaneously. Recording at 1 kHz allowed multiplexed dynamic measurements from 50 nanoantennas simultaneously with a temporal resolution dictated by the camera framerate and the photons emitted per molecule during a single passage. We demonstrate the capability for high-throughput arrayed detection of single molecule dynamics at the nanoscale in the membrane of living cells, and determine the axial location of membrane molecular components with 1 nm accuracy and temporal resolution below 1 ms.

연구 동기 및 목표

• 살아있는 세포에서 순차적 단일분자 검출의 낮은 처리 능력을 극복하기 위해 다수의 플라스모닉 나노안테나를 동시에 조사할 수 있도록 하는 것.
• 살아있는 세포막 내에서 단일분자를 추적할 때 고시간 해상도와 나노스케일 공간 정밀도를 달성하는 것.
• 생리학적으로 관련 있는 농도에서 동적 분자 과정을 모니터링할 수 있는 확장 가능한, 어레이 기반 플랫폼을 개발하는 것.
• 병렬 검출을 통해 통계적 능력을 향상시켜 나노스케일 분자 동역학을 정량적으로 분석할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 나노스케일 부피에서 플라스모닉 필드를 봉인하고 강화하기 위해 안테나-박스 나노구조 어레이를 사용한다.
• 1kHz 프레임 속도에서 단일분자의 발광 방출을 sCMOS 카메라 읽기 방식으로 기록한다.
• 동시로 225개의 개별 나노안테나를 병렬로 모니터링함으로써 복수 검출 기법을 활용한다.
• 임시 발광 이벤트에서 단일분자 동역학을 추출하기 위해 광자 수 계수 및 시간 상관 분석을 적용한다.
• 축 방향 위치를 1nm 정확도로 결정하기 위해 광학 전달 함수의 정밀 校정을 수행한다.
• 살아있는 세포에서 단일분자를 안정적으로 장기간 관찰할 수 있도록 맞춤형 영상 설정을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복수의 플라스모닉 나노안테나를 복수로 사용하면 살아있는 세포에서 단일분자 동역학의 고처리 능력 검출이 가능할 수 있는가?
• RQ2 살아있는 세포막에서 다수의 나노안테나를 동시에 모니터링할 경우 도달 가능한 시간 해상도와 축 방향 국소화 정밀도는 무엇인가?
• RQ3 225개의 나노안테나를 병렬로 조사하면 순차적 조사 대비 통계적 능력은 어떻게 향상되는가?
• RQ4 이 플랫폼을 사용하여 생리학적으로 관련 있는 농도에서 단일분자 동역학을 정량화할 수 있는가?
• RQ5 이 방법을 사용할 경우 막에 통합된 분자의 추적에서 축 방향 해상도와 시간 정밀도의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 시스템은 1kHz 프레임 속도에서 50개의 나노안테나를 동시에 검출하여 고처리 능력 데이터 수집을 가능하게 하였다.
• 교정된 플라스모닉 필드 분포를 사용하여 막 분자 성분의 축 방향 국소화를 1nm 정확도로 결정하였다.
• 1ms 이하의 시간 해상도를 달성하였으며, 이는 sCMOS 카메라의 프레임 속도와 분자당 광자 방출 수에 의해 제한되었다.
• 이 플랫폼은 전통적인 농도 제한을 극복하고 생물학적 과정에 관련된 농도에서 단일분자 동역학을 관찰할 수 있게 하였다.
• 복수 검출 기법은 순차적 조사 방법에 비해 통계적 능력과 데이터 수집 속도를 크게 향상시켰다.
• 플라스모닉 강화와 병렬 읽기 방식을 활용하여 이 방법은 살아있는 세포막에서 단일분자 동역학의 안정적이고 장기간의 모니터링을 실현하였다.