Manipulatie van licht op nanoschaal helpt biosensing te bevorderen

Traditionele medische tests vereisen vaak dat klinische monsters off-site worden verzonden voor analyse in een tijdintensief en duur proces. Point-of-care diagnostiek zijn in plaats daarvan goedkope, gemakkelijk te gebruiken en snelle tests die worden uitgevoerd op de locatie van de patiëntenzorg. Onlangs rapporteerden onderzoekers van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology nieuwe en geoptimaliseerde technieken om betere biosensoren te ontwikkelen voor de vroege detectie van biomarkers van ziekten.

Mensen zijn al lang gefascineerd door de irisatie van pauwenveren en lijken van kleur te veranderen terwijl licht ze vanuit verschillende hoeken raakt. Zonder pigmenten aanwezig in de veren, zijn deze kleuren het gevolg van lichte interacties met nanoscopische structuren, fotonische kristallen genoemd, met een patroon over het oppervlak van de veren.

Geïnspireerd door de biologie, hebben wetenschappers de kracht van deze fotonische kristallen gebruikt voor biosensing -technologieën vanwege hun vermogen om te manipuleren hoe licht wordt geabsorbeerd en gereflecteerd. Omdat hun eigenschappen het gevolg zijn van hun nanostructuur, kunnen fotonische kristallen nauwkeurig worden ontworpen voor verschillende doeleinden.

De Nanosensors Group aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign, geleid door professor elektrische en computertechniek Brian Cunningham (CGD-leider), had eerder op fotonische kristallen gebaseerde biosensoren ontwikkeld die de fluorescentie versterken met behulp van gouden nanodeeltjes, die fungeren als tags voor het voelen van verschillende moleculaire biomarkers. Maar hoewel deze innovatieve technologie lage detectie van biomarkermoleculen op laag niveau mogelijk maakt, heeft het nog steeds ruimte voor verdere verbetering.

“Traditioneel bieden metalen nanodeeltjes, met name goud, het potentieel voor fluorescentie -verbetering, maar lijden ze aan een fundamentele fout van dichtbij,” zei Seemesh Bhaskar, een IGB -fellow in het CGD -onderzoeksthema en hoofdauteur van de studie. “Deze nanodeeltjes kunnen de fluorescentiesignalen die ze willen versterken – of afnemen – afnemen – dit creëert een dode detectiezone, waardoor de gevoeligheid van biosensoren wordt beperkt.”

In een paper gepubliceerd in de Mevrouw Bulletinhet onderzoeksteam wilde deze beperking overwinnen door een nieuwe klasse cryosoret nanoassemblies te introduceren; Deze georganiseerde structuren, bestaande uit gouden nanodeeltjes subeenheden, worden gevormd via snelle cryogene bevriezing.

“Zelfassemblage is een fundamenteel principe van de natuur, of het nu de vorming is van planetaire systemen in de kosmologie of de precieze organisatie van nucleotiden in DNA,” zei Bhaskar. “Wat individuele nanodeeltjes niet alleen kunnen worden, wordt mogelijk via hun collectieve organisatie. In de kern gaat het om engineering optisch gedrag – zowel structureel als functioneel – door bewust ontwerp.”

Door deze cryosoret nanoassemblages te integreren met speciaal ontworpen fotonische kristallen, vertoonde de fluorescentie een 200-voudige signaalverbetering in vergelijking met alleen het fotonische kristal. Dit toonde aan dat fluorescentie blussen effectief werd geminimaliseerd, waardoor deze technologie een veelbelovende weg was voor het detecteren van lage concentraties biomarkers.

Voortbouwend op dit werk, probeerde het team vervolgens magnetische afstemming te introduceren in de nanoassemblies, met het doel op de lange termijn om intelligente, responsieve biosensoren te ontwikkelen.

Licht is een specifiek frequentiebereik van elektromagnetische straling; Andere voorbeelden zijn radiogolven, magnetrons en röntgenfoto’s. Elektromagnetische straling reist door ruimte in de vorm van golven, en zoals de naam al doet vermoeden, bestaat uit zowel elektrische als magnetische componenten. Hoewel veel biosensing -systemen profiteren van de elektrische component van licht, wordt de magnetische component grotendeels over het hoofd gezien.

In een studie gemeld in het dagboek APL -materialen,, Bhaskar en zijn collega’s ontwierpen magneto-plasmonische cryosoret nanoassemblies. Ze integreerden deze nanoassemblies in een fotonische kristalinterface en ontdekten dat het met succes zowel de elektrische als de magnetische componenten van het licht gebruikte. Ze testten hun platform met behulp van een gemeenschappelijke fluorofoor, wat resulteerde in ultra-gevoelige detectie in het attomolaire bereik, terwijl het fluorescentie nog steeds een minimalisatie van fluorescentie minimaliseerde.

Over het algemeen zorgt deze dual-mode interactie mogelijk voor verbeterde controle over lichtstattere interacties op nanoschaal, wat een nieuwe methode biedt om zeer gevoelige en instelbare biosensingplatforms te ontwerpen.

“Dit werk vertegenwoordigt een hybride optisch platform waar fotonen niet alleen worden uitgestoten – ze zijn georkestreerd,” zei Cunningham. “Deze convergentie van fotonische-plasmonische simulaties, geavanceerde nanofabricage en chemische engineering principes heeft verstrekkende implicaties, met name op het gebied van medische diagnostiek.”

In de toekomst zijn de onderzoekers van plan om de nanoassemblages van cryosoret te blijven optimaliseren om zich te richten op specifieke biomarkers, zoals microRNA’s, circulerende tumor -DNA en virale deeltjes, voor vroege detectie van kanker en infectieziekten. Ze hopen dat met verdere verbetering, point-of-care-technologieën kunnen voldoen aan de dringende behoefte aan gevoelige, toegankelijke en inzetbare biosensiesystemen.