glimt, glimt, quantum dot -- nye partikler kan ændre farver og mærke molekyler

Ingeniører ved Ohio State University har opfundet en ny slags nanopartikel, der skinner i forskellige farver for at mærke molekyler i biomedicinske tests.

Disse bittesmå plastiknano-partikler er fyldt med endnu mindre stykker elektronik kaldet kvanteprikker. Som små trafiklys, partiklerne lyser klart i rødt, gul, eller grøn, så forskere nemt kan spore molekyler under et mikroskop.

Det er første gang nogen har skabt fluorescerende nanopartikler, der kan ændre farver kontinuerligt.

Jessica Winter, assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik og biomedicinsk teknik, og forsker Gang Ruan beskriver deres patentanmeldte teknologi i online-udgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver .

Forskere mærker rutinemæssigt molekyler med fluorescerende materialer for at se dem under mikroskopet. I modsætning til de mere almindelige fluorescerende molekyler, kvanteprikker skinner meget klart, og kunne belyse kemiske reaktioner særligt godt, giver forskerne mulighed for at se den indre funktion af levende celler.

En flaskehals for at bekæmpe store sygdomme som kræft er manglen på molekylært eller cellulært niveau af biologiske processer, ingeniørerne forklarede.

"Disse nye nanopartikler kunne være en fantastisk tilføjelse til arsenalet af biomedicinske ingeniører, der forsøger at finde rødderne til sygdomme, " sagde Ruan.

"Vi kan skræddersy disse partikler til at mærke bestemte molekyler, og bruge farverne til at spore processer, som vi ellers ikke ville være i stand til, " fortsatte han. "Også, dette arbejde kunne være banebrydende for nanoteknologiområdet som helhed, fordi det løser to tilsyneladende uforenelige problemer med at bruge kvanteprikker."

Kvanteprikker er stykker af halvledere, der kun måler nogle få nanometer, eller milliardtedele af en meter, et kors. De er ikke synlige med det blotte øje, men når lyset skinner på dem, de absorberer energi og begynder at gløde. Det er det, der gør dem til gode tags til molekyler.

På grund af kvantemekaniske effekter, kvanteprikker "glitter" - de blinker til og fra i tilfældige øjeblikke. Når mange prikker kommer sammen, imidlertid, deres tilfældige blink er mindre mærkbar. Så, store klynger af kvanteprikker ser ud til at gløde med et konstant lys.

At blinke har været et problem for forskere, fordi det bryder banen for en bevægelig partikel eller mærket molekyle, som de forsøger at følge. Endnu, at blinke er også gavnligt, fordi når prikkerne samles og blinken forsvinder, forskere ved med sikkerhed, at mærkede molekyler har samlet sig.

"Blinke er godt og dårligt, " Ruan forklarede. "Men en dag indså vi, at vi kunne bruge det 'gode' og undgå det 'dårlige' på samme tid, ved at gruppere nogle få kvanteprikker af forskellige farver sammen inde i en micelle."

En micelle er en sfærisk beholder i nanostørrelse, og mens miceller er nyttige til laboratorieforsøg, de findes let i husholdningsvaskemidler – sæbe danner miceller, der fanger olier i vand. Ruan skabte miceller ved hjælp af polymerer, med forskellige kombinationer af røde og grønne kvanteprikker inde i dem.

I test, han bekræftede, at micellerne så ud til at gløde stabilt. Dem, der kun var fyldt med røde kvanteprikker, lyste rødt, og dem, der var fyldt med grønt, lyste grønt. Men dem, han fyldte med røde og grønne prikker, skiftede fra rød til grøn til gul.

Farveændringen sker, når en eller anden prik blinker inde i micellen. Når en rød prik blinker, og den grønne blinker, micellen lyser grønt. Når det grønne blinker og det røde blinker, micellen lyser rødt. Hvis begge lyser, micellen lyser gul.

Den gule farve skyldes vores øjnes opfattelse af lys. Processen er den samme, som når en rød pixel og grøn pixel vises tæt sammen på en fjernsyns- eller computerskærm:vores øjne ser gult.

Ingen kan kontrollere, hvornår farveændringer sker inde i individuelle miceller. Men fordi partiklerne lyser konstant, forskere kan bruge dem til at spore mærkede molekyler kontinuerligt. De kan også overvåge farveændringer for at opdage, hvornår molekyler samles.

Winter og Ruan sagde, at partiklerne også kunne bruges i fluidmekanisk forskning - specifikt, mikro-fluidik. Forskere, der udvikler bittesmå medicinske anordninger med væskeseparationskanaler, kunne bruge kvanteprikker til at følge væskens vej.

Det samme Ohio State forskerhold udvikler også magnetiske partikler for at forbedre medicinsk billeddannelse af kræft, og det kan være muligt at kombinere magnetisme med quantum dot-teknologien til forskellige former for billeddannelse. Men før partiklerne ville være sikre at bruge i kroppen, de skal være lavet af biokompatible materialer. Kulstofbaserede nanomaterialer er en mulig mulighed.

I mellemtiden, Winter og Ruan vil fortsætte med at udvikle de farveskiftende kvanteprikpartikler til undersøgelser af celler og molekyler under mikroskop. De skal også undersøge, hvad der sker, når kvanteprikker af en anden farve – f.eks. blå – tilsættes blandingen.