Gennembrud inden for sansning på nanoskala

Forskere har gjort en banebrydende opdagelse i at identificere verdens mest følsomme nanopartikel og måle den på afstand ved hjælp af lys. Disse superlyse, fotostabile og baggrundsfrie nanokrystaller muliggør en ny tilgang til meget avancerede sensorteknologier ved hjælp af optiske fibre.

Denne opdagelse, af et team af forskere fra Macquarie University, University of Adelaide, og Peking Universitet, åbner vejen for hurtig lokalisering og måling af celler i et levende miljø på nanoskala, såsom ændringerne til en enkelt levende celle i den menneskelige krop som reaktion på kemiske signaler.

Udgivet i Natur nanoteknologi i dag, forskningen skitserer en ny tilgang til avanceret sansning, der er blevet lettet ved at samle en specifik form for nanokrystal, eller "SuperDot" med en speciel slags optisk fiber, der gør det muligt for lys at interagere med små (nanoskala) volumener af væske.

"Indtil nu, at måle en enkelt nanopartikel ville have krævet at placere den i et meget omfangsrigt og dyrt mikroskop, " siger professor Tanya Monro, Direktør for University of Adelaides Institute for Photonics and Advanced Sensing (IPAS) og ARC Australian Laureate Fellow. "For første gang, vi har været i stand til at detektere en enkelt nanopartikel i den ene ende af en optisk fiber fra den anden ende. Det åbner op for alle mulige muligheder inden for sansning."

"Ved at bruge optiske fibre kan vi komme til mange steder, såsom inde i den levende menneskelige hjerne, ved siden af ​​et embryo i udvikling, eller i en arterie? steder, der er utilgængelige for konventionelle måleværktøjer.

"Dette fremskridt baner i sidste ende vejen til gennembrud inden for medicinsk behandling. F.eks. måling af en celles reaktion i realtid på et kræftlægemiddel betyder, at lægerne på det tidspunkt, behandlingen bliver leveret, kan fortælle, om en person reagerer på behandlingen eller ej."

Ydeevnen af ​​sansning på enkelt molekylært niveau var tidligere blevet begrænset af både utilstrækkelig signalstyrke og interferens fra baggrundsstøj. Den specielle optiske fiber udviklet ved IPAS viste sig også nyttig til at forstå nanopartiklernes egenskaber. "Materialeforskere har stået over for en enorm udfordring med at øge lysstyrken af ​​nanokrystaller, " siger Dr. Jin, ARC Fellow ved Macquarie University's Advanced Cytometry Laboratories. "Ved at bruge disse optiske fibre, imidlertid, vi har fået en hidtil uset indsigt i lysudslippet. Nu, tusindvis af emittere kan inkorporeres i et enkelt SuperDot – hvilket skaber en langt lysere, og lettere påviselig nanokrystal."

Under infrarød belysning, disse SuperDots producerer selektivt lyseblå, rødt og infrarødt lys, med en svimlende tusind gange mere følsomhed end eksisterende materialer. "Hverken glasset i den optiske fiber eller andre biologiske baggrundsmolekyler reagerer på infrarødt, så det fjernede baggrundssignalproblemet. Ved at ophidse disse SuperDots var vi i stand til at sænke detektionsgrænsen til det ultimative niveau – en enkelt nanopartikel, " siger Jin.

"Den tværfaglige forskning fra flere institutioner har banet vejen for denne innovative opdagelse, " siger Jin, "med grænsefladen af ​​eksperter i nanomaterialer, fotonikteknik, og biomolekylære grænser."

"Denne fælles indsats vil i sidste ende gavne patienter over hele verden - f.eks. vores industripartnere Minomic International Ltd og Patrys Ltd udvikler anvendelser af SuperDots™ i kræftdiagnostiksæt, opdager utroligt lave antal biomarkører inden for tilstande som prostata og myelomatosekræft." Macquarie søger nu aktivt andre industrielle partnere med kapacitet til i fællesskab at udvikle løsninger uden for disse områder.