Nanoscopische streepjescodes stellen een nieuwe wetenschappelijke limiet

Het gebruik van streepjescodes om alledaagse voorwerpen te labelen en te identificeren, is net zo vertrouwd als een reis naar de supermarkt. Stel je voor dat je die streepjescodes een miljoen keer krimpt, van millimeter tot nanometerschaal, zodat ze in levende cellen kunnen worden gebruikt om de bouwstenen van het leven te labelen, identificeren en volgen, of in inkt worden gemengd om namaak te voorkomen. Dit is de grens van nanoengineering, waarvoor fabricage en gecontroleerde manipulatie van nanostructuren op atomair niveau vereist is – nieuw, fundamenteel onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, toont de mogelijkheden en kansen die voor ons liggen.

De door de University of Technology Sydney (UTS) geleide samenwerking ontwikkelde een nanokristalgroeimethode die de groeirichting regelt en programmeerbare atomaire dunne lagen produceert, willekeurige nanostaafjes met streepjescode, met een uniforme morfologie. Het resultaat is miljoenen verschillende soorten nanobarcodes die een “bibliotheek” kunnen vormen voor toekomstige detectietoepassingen op nanoschaal.

De onderzoekers verwachten dat dergelijke barcodestructuren brede belangstelling zullen wekken in een reeks toepassingen als informatie-nanodragers voor bio-nanotechnologie, biowetenschappen en gegevensopslag, zodra ze in een verscheidenheid aan matrices zijn opgenomen.

Hoofdauteur Dr. Shihui Wen zei dat het onderzoek een maatstaf biedt die het potentieel opent voor het ontwerpen van kleinere nanofotonica-apparaten.

“De anorganische nanobarcodestructuren zijn rigide, en het is gemakkelijk om de composiet, dikte en afstandsnauwkeurigheid tussen verschillende functionele segmenten te regelen voor geometrische barcodering voorbij de optische diffractielimiet. Omdat ze chemisch en optisch stabiel zijn, kunnen de nanoscopische barcodes worden gebruikt als dragers voor medicijnafgifte en tracking in de cel, zodra het oppervlak van de barcodestructuren verder is gemodificeerd en gefunctionaliseerd met sondemoleculen en ladingen, “zei Dr. Wen van het UTS Institute of Biomedical Materials and Devices (IBMD).

Het team had ook een extra doorbraak met de ontwikkeling van een nieuw tandem-decoderingssysteem, waarbij nanoscopie met superresolutie werd gebruikt om verschillende optische barcodes binnen de diffractielimiet te karakteriseren.

Senior auteur, UTS IBMD-directeur, professor Dayong Jin zei dat er geen commercieel systeem beschikbaar was voor dit soort beeldvorming met superresolutie.

“We moesten de instrumenten bouwen om de geavanceerde functies te diagnosticeren die opzettelijk in het kleine nanostaafje kunnen worden ingebouwd. Deze samen stellen ons in staat om het verdere potentieel te ontsluiten voor het plaatsen van atomaire moleculen waar we ze willen hebben, zodat we apparaten kunnen blijven miniaturiseren. De eerste keer dat we een superresolutiesysteem konden gebruiken om het specifieke functionele segment binnen de nanostaaf te onderzoeken, activeren en uitlezen.

“Stel je een klein apparaatje voor, kleiner dan een duizendste van de breedte van een mensenhaar, en we kunnen selectief een bepaald gebied van dat apparaat activeren, de optische eigenschappen zien en ze kwantificeren. Dit is de wetenschap die nu veel nieuwe mogelijkheden laat zien”, zei hij. . Professor Jin is ook de mededirecteur van het UTS-SUStech Joint Research Centre.

De onderzoekers denken dat de ontwikkelde optische apparaten op nanoschaal tegelijkertijd kunnen worden gebruikt voor het labelen van verschillende cellulaire soorten.

“Deze apparaten zijn ook gemakkelijk toepasbaar voor anti-namaakproducten op hoog beveiligingsniveau wanneer verschillende batches ervan worden gemengd met inkt en gemakkelijk kunnen worden afgedrukt op hoogwaardige producten voor authenticatie.” Zei dr. Wen.