Få fat på quantum dot biosensorer

Quantum dots (QD'er) har fundet så mange applikationer i de seneste år, de kan nu købes med en række forskellige sammensatte strukturer og konfigurationer. Nogle fås suspenderet i en biologisk venlig væske, hvilket gør dem godt rustet til at tjene som biomarkører til enkeltmolekylemærkning og sporing. Men antag, at du ville fange og flytte et af disse enkelte nanopartikelmærker på samme måde, som andre biologer kunne tage vævsprøver med en pincet?

Udnyttelse af den optiske pincets nano-traktor-lignende evner, forskere fra University of Melbourne, Australien, og Huazhong University of Science and Technology, Kina, udviklet en hel-silicium nanoantenne til at fange individuelle kvanteprikker ophængt i et mikrofluidisk kammer. Gruppen vil præsentere deres arbejde på Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS (FIO + LS), afholdt 17.-21. september 2017 i Washington, DC.

"Konventionelle optiske pincetter, baseret på laserstråler tæt fokuseret på små pletter med mikroskoplinser, tillade materialer at blive håndteret på en præcis og berøringsfri måde, " sagde Kenneth Crozier, en professor ved University of Melbourne og medlem af forskerholdet. "Fangst af meget små genstande bliver vanskeligt, imidlertid, på grund af det faktum, at indfangningskraften varierer omtrent med partikelvolumenet, og er lille sammenlignet med effekten af ​​tilfældig Brownsk bevægelse."

At fange sådanne små genstande i en biologisk nyttig konstruktion gøres endnu vanskeligere af de potentielt ødelæggende termiske effekter ved at bruge metalliske antenner til at fokusere fangstfelterne. "Her, vi demonstrerer indfangningen af ​​et meget lille objekt (nemlig en kvanteprik) ved hjælp af en siliciumnanoantenne, " sagde Crozier. "Vi var bogstaveligt talt i stand til at se enkelte kvanteprikker fanget af vores nanoantenne, og optag film, der viser deres bevægelse."

De nye nanoantenner, som hver består af en siliciumring, der omgiver et par siliciumcylindre, fremstilles ved elektronstråle litografi og reaktiv ionetsning. Strukturen koncentrerer det infrarøde lys, der bruges til at fange kvanteprikkerne i det lille 50 nanometer mellemrum mellem cylindrene.

Crozier og hans gruppe testede deres antenne ved at fastgøre et mikrofluidisk kammer, fyldt med CdSe/ZnS kvanteprikker suspenderet i en bufferopløsning, til siliciumchippen. Dette blev monteret i et optisk mikroskop, hvor indfaldende grønt lys stimulerede kvanteprikkers signaturfluorescens, og et CCD-kamera fangede fælden i aktion.

"Fra de simuleringer, vi lavede før eksperimenterne, vi forventede at det ville fungere, men vi var ikke sikre, " sagde Crozier. "Så det var meget spændende at se de individuelle kvanteprikker blive fanget, da vi rent faktisk lavede eksperimenterne." Med en billedhastighed på 30 billeder i sekundet, de var i stand til at video fangst af en enkelt fluorescerende kvantepunkt ved hjælp af en siliciumantenne på deres mikrofluidiske koblede chip.

"Vi brugte lave koncentrationer af partikler, fordi vi ville sikre os, at vi havde at gøre med enkelte kvanteprikker, " sagde Zhe "Kelvin" Xu, en ph.d.-studerende ved University of Melbourne, der udførte eksperimenterne. "Det betød, at vi generelt var nødt til at vente et stykke tid på hver kvanteprikfangstbegivenhed, i størrelsesordenen en time. Og det betyder selvfølgelig, at vi skulle være meget opmærksomme under forsøg for ikke at gå glip af disse fangstbegivenheder. "

Faktisk, de lave koncentrationer af kvanteprikker, der krævede sådan tålmodighed, fremhæver et mere generelt problem i biosensing, som deres nye fangstmetode måske kan løse. Ifølge Crozier, et klassisk problem med nanosensorer, der registrerer stoffer ved lave koncentrationer, er, at det lille sanseområde begrænser den hastighed, hvormed molekyler afgives. Nu med kraften fra den (optiske) kraft, en potentiel anvendelse for nanoantennerne ville være at øge strømmen af ​​molekyler eller andre objekter på nanosensorer.

"At være i stand til direkte at observere fangningsprocessen via vores mikroskop fik os til at spekulere på at anvende dette på andre nanomaterialer, " sagde Crozier. Ser på fremtidige ansøgninger, verden af ​​nanosensing har meget endnu at blive udforsket. "Det ville være meget spændende at fange et enkelt biologisk molekyle med vores antenne, og direkte observere denne fangstproces. Dette kunne også give nyttige oplysninger, der ville hjælpe nanosensorapplikationen."