Timing er alt i ny nanoteknologi til medicin, sikkerhed og forskning

Forskere, der arbejder på at fremme billeddannelse, der er nyttig for medicin og sikkerhed, udnytter det samme fænomen bag det dvælende "spøgelsesbillede", der dukkede op på gamle tv-skærme.

Et team af forskere fra Purdue University og Macquarie University i Sydney har skabt en måde at kontrollere, hvor længe lyset fra en selvlysende nanokrystal dvæler, tilføjer en ny dimension af tid til farve og lysstyrke i optisk detektionsteknologi.

Detektion baseret på lysets levetid samt dets specifikke farve, eller bølgelængde, øger eksponentielt antallet af forskellige kombinationer, der kan oprettes og bruges som unikke signaturer, eller tags, til biomedicinske skærme. Skærme baseret på denne nye teknologi kunne identificere tusindvis af forskellige målmolekyler samtidigt, langt overgår de nuværende grænser for sådanne skærme til omkring 20 forskellige molekyler.

"Disse nanokrystaller kan danne kombinationskoder, som stregkoder, at danne et stort bibliotek af skelnelige molekylære prober, som kan bruges til kompleks diagnostik, " sagde Dayong Jin, professoren i fotonik ved Macquarie, der ledede forskningen. "De kunne bruges til screeningstest, der hurtigere og mere præcist kan identificere årsagen til infektionen, rester af cancer på et tidligt stadie og lokaliser de specifikke molekylære mål for målrettede lægemiddelbehandlinger."

Ud over, lys, der udsendes af de nye nanokrystaller, er langt længere end det, der forekommer naturligt i biologiske systemer, kaldet autofluorescens. Denne forskel i timing adskiller tydeligt signalet fra baggrundsstøj, sagde J. Paul Robinson, professor i cytomik på Purdue's College of Veterinary Medicine og professor i Purdue's Weldon School of Biomedical Engineering, som har været med til at lede undersøgelsen i løbet af de sidste fire år.

"Fotonerne udsendt af disse nanokrystaller sidste 1, 000 gange længere end de fotoner, der udsendes af biologiske systemer, der forårsager baggrundsstøj, " sagde Robinson, som også er direktør for Purdue Cytometry Laboratories. "Nanokrystalfotonerne forbliver, ligesom de fotoner, der skabte 'spøgelsesbillederne' på gamle fjernsynsskærme, der ville blive hængende, efter du slukkede for apparatet. Et lignende fænomen sker i disse nanokrystaller. Vi kan fange dette signal, efter at de andre er blevet mørke og opnå en utrolig opløsning."

Holdets arbejde er detaljeret beskrevet i et papir, der vil blive offentliggjort i næste nummer af Naturfotonik og er i øjeblikket tilgængelig online. Jin ledede designet og fremstillingen af ​​nanopartiklerne, som forskerne kaldte t-Dots. Robinson ledede konceptudviklingen og den biologiske test af detektionsteknologien.

Robinsons forskning fokuserer på flowcytometri, analysen af ​​celler, der er indeholdt i en væske, der strømmer forbi en laserstråle. Forskerholdet byggede et tidsopløst scanningscytometrisystem, der var i stand til at evaluere levetiden af ​​det udsendte lys samt farve og fange τ-Dot-signalerne.

"Partikler, der indeholder disse τ-dots, kan let skræddersyes til at binde forskellige antistoffer, " sagde Robinson. "Et lille og bærbart system kunne skabes til at søge efter flere patogener på én gang i drikkevarer eller mad."

Forskerholdet lagde med succes nanokrystallerne med en specifik sekvens af levetider inden for individuelle τ-Dots for at skabe unikke signaturer og med succes bandt et protein til τ-Dots, hvilket giver dem mulighed for at opsøge og binde til Giardia lamblia, han sagde. Robinson planlægger derefter at forfine design af flowcytometri-instrumenter, der kan læse τ-Dot-signaturerne, og at udforske de biomedicinske anvendelser af nye detektionsværktøjer.

"Flowcytometri er et diagnostisk værktøj, der bruges i en række forskellige applikationer fra sundhedspleje til hjemlandsikkerhed, " sagde Robinson. "Det kan analysere blod og urin for at diagnosticere sygdom, eller kan analysere en prøve taget fra en overflade eller luften blandet med vand for at påvise fødevarebårne patogener eller kemiske agenser. Med τ-Dot 'nano-tags, ' vi har evnen til at screene for mange mål på én gang, og kun en lille mængde prøve vil være nødvendig for at indsamle en enorm mængde information på meget kort tid."

Nanokrystallerne er små klynger af natrium, yttrium- og fluoridioner tilsat spormængder af ioner af ytterbium og det blåemitterende sjældne jordarters grundstof thulium. Ytterbium-ionen fungerer som en udløser for reaktionen, der styrer thuliumfluorescensen, og forskerne kontrollerede, hvor lang tid dette lys udsendes ved at variere afstanden mellem de to.

Når en laser rammer en nanokrystal, udløser den en reaktion, der fører til emission af en foton ved en synlig bølgelængde, eller et udbrud af synligt lys.

τ-punkterne kunne også bruges til at skabe usynlige og næsten umulige at forfalske mærker på dokumenter, genstande eller valuta som en foranstaltning mod falskmøntneri, sagde Yiqing Lu, en senior Macquarie University Research Fellow i fotonik.

"Ved at påføre τ-Prikker på enhver overflade, vi kan efterlade en hemmelig besked eller mærke på ethvert produkt, som kun vil blive afsløret af en specialdesignet scanner, " sagde Lu. "Dette har et enormt potentiale til at bekræfte ægtheden af ​​ethvert produkt, fra farmaceutiske lægemidler til medicinske kurerforsyninger."

Forskerholdet hos Macquarie undersøger denne applikation såvel som evnen til at lag τ-Dots for at skabe datalagring med højere tæthed, han sagde.