Nanomushroom sensorer - ét materiale, mange applikationer

Et lille rektangel af pink glas, på størrelse med et frimærke, sidder på professor Amy Shens skrivebord. På trods af dets ydre beskedne udseende, denne lille rutsjebane har potentialet til at revolutionere en lang række processer, fra overvågning af fødevarekvalitet til diagnosticering af sygdomme.

Rutsjebanen er lavet af et nanoplasmonisk materiale - dens overflade er belagt med millioner af guld nanostrukturer, hver kun et par milliardtedele af en kvadratmeter i størrelse. Plasmoniske materialer absorberer og spreder lys på interessante måder, giver dem unikke føleegenskaber. Nanoplasmoniske materialer har tiltrukket sig biologers opmærksomhed, kemikere, fysikere og materialeforskere, med mulige anvendelser inden for en bred vifte af områder, såsom biosensing, data opbevaring, lysgenerering og solceller.

I flere nyere aviser, Prof. Shen og kolleger ved Micro/Bio/Nanofluidics Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) beskrev deres skabelse af et nyt biosensing materiale, der kan bruges til at overvåge processer i levende celler.

"Et af de vigtigste mål for nanoplasmonics er at søge efter bedre måder at overvåge processer i levende celler i realtid, " siger prof. Shen. At fange sådanne oplysninger kan afsløre spor om celleadfærd, men det er en udfordring at skabe nanomaterialer, hvorpå celler kan overleve i lange perioder, men alligevel ikke forstyrrer de cellulære processer, der måles. forklarer hun.

Tælling af delingsceller

En af holdets nye biosensorer er lavet af et nanoplasmonisk materiale, der er i stand til at rumme et stort antal celler på et enkelt substrat og til at overvåge celleproliferation, en fundamental proces, der involverer cellevækst og deling, i realtid. At se denne proces i aktion kan afsløre vigtig indsigt i cellers og vævs sundhed og funktioner.

Forskere i OIST's Micro/Bio/Nanofluidics Unit beskrev sensoren i en undersøgelse for nylig offentliggjort i tidsskriftet Avancerede biosystemer .

Det mest attraktive ved materialet er, at det tillader celler at overleve over lange tidsperioder. "Som regel, når du sætter levende celler på et nanomateriale, det materiale er giftigt, og det dræber cellerne, " siger Dr. Nikhil Bhalla, en postdoc-forsker ved OIST og førsteforfatter af papiret. "Imidlertid, ved at bruge vores materiale, celler overlevede i over syv dage." Det nanoplasmoniske materiale er også meget følsomt:Det kan registrere en stigning i celler så små som 16 ud af 1000 celler.

Materialet ligner et almindeligt stykke glas. Imidlertid, overfladen er belagt med bittesmå nanoplasmoniske svampelignende strukturer, kendt som nanomsvampe, med stilke af siliciumdioxid og hætter af guld. Sammen, disse danner en biosensor, der er i stand til at detektere interaktioner på molekylært niveau.

Biosensoren fungerer ved at bruge nanosvampehætterne som optiske antenner. Når hvidt lys passerer gennem nanoplasmonglasset, nanomsvampene absorberer og spreder noget af lyset, ændre dens egenskaber. Lysets absorbans og spredning bestemmes af størrelsen, nanomaterialets form og materiale og, vigtigere, det er også påvirket af ethvert medium i umiddelbar nærhed af nanosvampen, såsom celler, der er blevet placeret på objektglasset. Ved at måle, hvordan lyset har ændret sig, når det kommer frem gennem den anden side af rutsjebanen, forskerne kan detektere og overvåge processer, der finder sted på sensoroverfladen, såsom celledeling.

"Normalt, du skal tilføje etiketter, såsom farvestoffer eller molekyler, til celler, at være i stand til at tælle delende celler, " siger Dr. Bhalla. "Men, med vores metode, nanomsvampene kan mærke dem direkte."

Opskalere

Dette arbejde bygger på en ny metode, udviklet af forskere ved Micro/Bio/Nanofluidics Unit på OIST, til fremstilling af nanomushroom biosensorer. Teknikken blev offentliggjort i tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader i december 2017.

At producere nanoplasmoniske materialer i stor skala er udfordrende, fordi det er vanskeligt at sikre ensartethed på tværs af hele materialets overflade. Af denne grund, biosensorer til rutinemæssige kliniske undersøgelser, såsom sygdomstest, mangler stadig.

Som svar på dette problem, OIST-forskerne udviklede en ny udskrivningsteknik til at skabe store nanosvampebiosensorer. Med deres metode, de var i stand til at udvikle et materiale bestående af cirka en million svampelignende strukturer på et 2,5 cm gange 7,5 cm siliciumdioxidsubstrat.

"Vores teknik er som at tage et stempel, at dække det med blæk lavet af biologiske molekyler, og udskrivning på det nanoplasmoniske objektglas, " siger Shivani Sathish, en ph.d. studerende ved OIST og medforfatter til papiret. De biologiske molekyler øger materialets følsomhed, hvilket betyder, at den kan mærke ekstremt lave koncentrationer af stoffer, såsom antistoffer, og dermed potentielt opdage sygdomme i deres tidligste stadier.

"Ved at bruge vores metode, det er muligt at skabe en meget følsom biosensor, der kan detektere selv enkelte molekyler, " siger Dr. Bhalla, avisens første forfatter.

Plasmoniske og nanoplasmoniske sensorer tilbyder vigtige værktøjer til mange områder, fra elektronik til fødevareproduktion til medicin. For eksempel, i december 2017, andet års ph.d.-studerende Ainash Garifullina fra enheden udviklede et nyt plasmonisk materiale til overvågning af kvaliteten af ​​fødevarer under fremstillingsprocessen. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Analytiske metoder .

Prof. Shen og hendes enhed siger, at i fremtiden, nanoplasmoniske materialer kan endda integreres med nye teknologier, såsom trådløse systemer i mikrofluidiske enheder, giver brugerne mulighed for at foretage fjernaflæsninger og derved minimere risikoen for kontaminering.