Kleine structuren genereren krachtige stralen voor verbeterde optische beeldvorming

Zelfs het kleinste molecuul kan een groot verhaal vertellen. Het observeren van een enkel molecuul kan bijvoorbeeld licht werpen op onderliggende biologische processen in het menselijk lichaam. In feite worden moleculaire beeldvormingsprocedures – die niet-invasief en pijnloos zijn – gebruikt om de diagnose en behandeling van COVID-19, kanker, hartaandoeningen en andere ernstige gezondheidsproblemen te diagnosticeren en te behandelen.

Een van de meer veelbelovende technieken voor beeldvorming van één molecuul is Raman-spectroscopie met verbeterde oppervlakte, of SERS. Door een laserstraal op het monster te focussen, detecteert SERS veranderingen in moleculen op basis van hoe ze licht verstrooien, en kan het specifieke moleculen identificeren via hun unieke Raman-spectra: een soort moleculaire vingerafdruk. Een voordeel van SERS is dat het niet-destructief is en minimale monstervoorbereiding vereist, aangezien er geen extra chemicaliën of aanpassingen nodig zijn om metingen uit te voeren.

In een studie die onlangs is gepubliceerd in Geavanceerde materialenbeschrijven ingenieurs van de Johns Hopkins Whiting School of Engineering een nieuw nanomateriaal dat snelle en zeer gevoelige detectie van enkelvoudige moleculen mogelijk maakt met behulp van SERS. Hun uitvinding zou de weg kunnen effenen voor snelle en nauwkeurigere diagnostische tests.

Om hun nieuwe materiaal te creëren, genaamd DNA-Silicified Template for Raman Optical Beacon of DNA-STROBE, ontwierp een team onder leiding van Ishan Barman, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, optische holtes van slechts enkele nanometers of minder. Bij SERS-beeldvorming “vangen” deze plasmonische holtes lichtstralen op door hun elektromagnetische straling om te zetten in elektronengolven. De kleine plasmonische nanocaviteiten van het Barman-team verhogen exponentieel de dichtheid van deze ingesloten elektromagnetische energie, waardoor mogelijk kwantitatieve biomoleculaire beeldvorming bij ultralage concentraties mogelijk wordt.

“De effectiviteit van SERS-metingen hangt af van de architectuur en reproduceerbaarheid van de sondes op nanoschaal. Als ze met succes zijn ontworpen en gerealiseerd, bieden onze DNA-STROBE-structuren realtime, enkelvoudige molecuul, labelvrije optische detectie die bijna onmogelijk te bereiken is met bestaande platforms, ‘zei Barman, de corresponderende auteur van het artikel.

Medeauteurs van de studie zijn onder meer Le Liang en Peng Zheng, beide postdoctorale onderzoekers aan de Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

Volgens Barman kunnen SERS-metingen ongekende inzichten bieden op nanoschaal, wat een uitdagende onderneming blijft voor conventionele beeldvormingsmethoden. De intensiteit van het SERS-signaal hangt af van de grootte van de hiaten op nanoschaal, ook wel “hotspots” genoemd. Omdat deze nanocaviteiten lichtenergie beperken, hoe kleiner de gaten, hoe hoger het SERS-signaal. Nanocaviteiten van deze kleine omvang zijn echter buitengewoon moeilijk (en duur) om op een programmeerbare en reproduceerbare manier te fabriceren, legde hij uit.

Het onderzoeksteam wendde zich tot DNA-nanotechnologie om een ​​antwoord te vinden. Met behulp van DNA als steigers, bouwde het team synthetische nanocaviteiten die de perfecte grootte hebben om hotspots te worden. Maar gezien de elastische aard van DNA, vooral de neiging om te vouwen en te buigen, zou de grootte van de gevormde DNA-STROBE-structuren kunnen veranderen, waardoor het SERS-signaal mogelijk verzwakt. Zo heeft het team de DNA-STROBE-structuren ingekapseld met een beschermende ultradunne silica-schaal om dergelijke fluctuaties te voorkomen.

De studie rapporteerde twee significante bevindingen. Ten eerste toonden de onderzoekers aan dat ze ultrakleine nanocaviteiten konden fabriceren met goed gecontroleerde en grote elektromagnetische versterking van het SERS-signaal. Ten tweede maakt hun benadering studies van enkelvoudige moleculen mogelijk, zelfs in biologische monsters met hoge molecuulconcentraties – een wegversperring in eerder onderzoek.

“We waren verheugd om te zien dat DNA-STROBE het Raman-signaal verbeterde, en het was sterk genoeg om real-time detectie en beeldvorming met superresolutie mogelijk te maken. Dit zal zeker nieuwe wegen openen voor het gebruik van SERS-analyse, met name bij detectie en beeldvorming. toepassingen waarbij het toevoegen van contrastmiddelen en kleurstoffen niet wenselijk of praktisch is “, aldus Liang.

De volgende stap, zeggen de onderzoekers, zal zijn om een ​​reeks op maat gemaakte van DNA-STROBE afgeleide analytische tools te ontwikkelen voor een reeks toepassingen. Het team is bijvoorbeeld van mening dat hun aanpak een state-of-the-art platform biedt voor ultragevoelige detectie van circulerende kankerbiomarkers.

“Met gepast maatwerk kan de DNA-STROBE vooruitgang mogelijk maken op een breed scala van gebieden, variërend van klinische diagnostiek en fundamenteel biomedisch onderzoek tot omgevingsdetectie en manipulatie van één molecuul”, voegt Barman toe.