[论文解读] Multiplexed plasmonic nanoantennas for high throughput single molecule nanoscale dynamics in living cells

Pamina M. Winkler, Thomas S. van Zanten+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2022

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 4

一句话总结

本研究将多路复用等离子体纳米天线与sCMOS检测相结合，实现了在活细胞膜中高通量、纳米尺度分辨率的单分子追踪。通过以1 kHz的速率同时探测225个天线-盒结构，该方法实现了亚毫秒级的时间分辨率和1 nm的轴向定位精度，克服了单分子动力学研究中串行探测的通量限制。

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.

研究动机与目标

• 通过同时探测多个等离子体纳米天线，克服活细胞中单分子检测通量低的问题。
• 实现在活细胞膜内单分子追踪的高时间分辨率和纳米尺度空间精度。
• 开发一种可扩展的阵列平台，用于监测生理相关浓度下的动态分子过程。
• 通过并行检测实现更优统计效能，实现对纳米尺度分子动力学的定量分析。

提出的方法

• 利用天线-盒纳米结构阵列，在纳米尺度体积内限制并增强等离子体场。
• 采用sCMOS相机读出，在1 kHz帧率下记录单个分子的荧光发射。
• 通过同时监测225个独立纳米天线实现多路复用检测。
• 应用光子计数和时间相关性分析，从瞬态发射事件中提取单分子动力学信息。
• 通过精确校准光学传递函数，实现1 nm精度的轴向位置测定。
• 开发定制成像系统，实现活细胞中单分子的稳定、长期观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 多路复用等离子体纳米天线能否实现在活细胞中高通量检测单分子动力学？
• RQ2 在同时监测多个纳米天线的活细胞膜中，可实现的时间分辨率和轴向定位精度如何？
• RQ3 并行探测225个纳米天线相比串行探测，如何提升统计效能？
• RQ4 该平台能否在生理相关浓度下对单分子动力学进行定量分析？
• RQ5 该方法在追踪膜嵌入分子时，轴向分辨率和时间保真度的极限是什么？

主要发现

• 系统在1 kHz帧率下实现了对50个纳米天线的同步检测，实现了高通量数据采集。
• 通过校准的等离子体场分布，实现了1 nm精度的膜分子组分轴向定位。
• 实现了低于1 ms的时间分辨率，其上限仅受sCMOS相机帧率和每个分子的光子发射速率限制。
• 该平台实现了在生物学过程相关浓度下的单分子动力学观测，克服了传统浓度限制。
• 相比串行探测方法，该多路复用方法显著提升了统计效能和数据采集速度。
• 该方法通过等离子体增强和并行读出，实现了对活细胞膜中单分子动力学的稳定、长期监测。