Dynamiske fotoniske stregkoder registrerer energioverførsel ved biogrænsefladen

Optiske stregkoder muliggør detektion og sporing via unikke spektrale fingeraftryk. De er blevet bredt anvendt på områder lige fra multiplexede bioassays og cellemærkning til forfalskning og sikkerhed. Yu-Cheng Chen fra Bio+Intelligent Photonics Laboratory ved Nanyang Technological University bemærker, at begrebet optiske stregkoder typisk refererer til et fast spektralt mønster svarende til et enkelt mål.

"Optiske stregkoder har manglet evnen til at karakterisere dynamiske ændringer som reaktion på analytter gennem tiden, " siger Chen. Takket være Chens forskning, det er ved at ændre sig.

Chens gruppe udviklede for nylig bioresponsive dynamiske stregkoder, introduktion af begrebet resonansenergioverførsel ved grænsefladen af ​​mikrohulrummet. Som rapporteret i Avanceret fotonik , holdet demonstrerede stregkoden eksperimentelt for at detektere molekyler i en dråbe. Strålingsenergien fra en enkelt mikrodråbe overføres til bindende biomolekyler, konvertering af dynamisk biomolekylær information til mere end billioner af markante fotoniske stregkoder.

Kavitetsforbedret strålingsenergioverførsel

Systemet er baseret på en whispering-galleri mode resonator (WGMR). Størstedelen af ​​WGMR'er er klassificeret som passive. Som sådan, de kræver evanescent bølgekobling og fungerer baseret på modusændringer induceret af forstyrrelser. "I modsætning, "forklarer Chen, "aktive resonatorer, der bruger analytten som et forstærkningsmedium, kan understøtte excitation og indsamling af frit rum for at erhverve mere biologisk information fra emissionssignaler."

Ifølge Chen, Problemet, når man overvejer molekylær detektion, er modus-besættelsesfaktoren for analytten uden for hulrummet:Det er kun et par tiendedele fra det inde i hulrummet, hvilket fører til en reduceret effektiv Q-faktor og utilfredsstillende signal-støj-forhold. Konceptet med resonansenergioverførsel adskiller donormolekyler og acceptormolekyler ved kavitetsgrænsefladen, hvor strålingsenergioverførsel sker. Strålingsenergioverførsel ledsages af elektromagnetisk stråling (i modsætning til konventionel ikke-strålende fluorescensresonans energioverførsel, kendt som FRET). På grund af den stråling, energioverførsel kan forekomme selv i situationer, hvor donor og acceptor er adskilt.

"I nærvær af hulrumsforstærkede mekanismer, effektiv energioverførsel og kobling mellem donorer og acceptorer kan føre til forbedrede lys-stof-interaktioner og signal-til-støj-forhold, " siger Chen.

Det udviklede system udnytter en effekt, hvorved den høje koncentration af farvestof (donor) inde i mikrodråben udløser en hulrumsforøget energioverførsel for at excitere molekylerne (acceptoren), der er knyttet til hulrummets grænseflade.

"Når biomolekyler binder til hulrummets grænseflade, antallet af bindingsmolekyler ændrer mængden af ​​energioverførsel, resulterer i markante modulerede fluorescensemissionstoppe, " siger Chen. Dynamisk spektral stregkodning blev opnået ved en signifikant forbedring i signal-til-støj-forholdet ved binding til målmolekyler.

Ifølge forfatterne, dette biomolekylære kodningssystem oplyser et beacon for intermolekylær interaktion i realtid og kan i høj grad øge kompleksiteten af ​​et kodningssystem. De mener, at konceptet kan anvendes bredt i mange biosensing-applikationer og optisk kryptering.