Små strukturer genererer kraftige stråler til forbedret optisk billeddannelse

Selv det mindste molekyle kan fortælle en stor historie. For eksempel, observation af et enkelt molekyle kan kaste lys over underliggende biologiske processer i den menneskelige krop. Faktisk, molekylære billeddannelsesprocedurer - som er ikke-invasive og smertefrie - bliver brugt til at diagnosticere og styre behandlingen af ​​COVID-19, Kræft, hjerte sygdom, og andre alvorlige helbredstilstande.

En af de mere lovende teknikker til billeddannelse af et enkelt molekyle er overfladeforstærket Raman-spektroskopi, eller SERS. Ved at fokusere en laserstråle på prøven, SERS registrerer ændringer i molekyler baseret på, hvordan de spreder lys, og kan identificere specifikke molekyler gennem deres unikke Raman-spektre:en slags molekylært fingeraftryk. En fordel ved SERS er, at den er ikke-destruktiv og kræver minimal prøveforberedelse, da det ikke kræver tilsatte kemikalier eller modifikationer for at foretage målinger.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Avancerede materialer , ingeniører fra Johns Hopkins Whiting School of Engineering beskriver et nyt nanomateriale, der muliggør hurtig og meget følsom enkelt molekyle detektion ved hjælp af SERS. Deres opfindelse kunne bane vejen for hurtig og mere præcis diagnostisk testning.

For at skabe deres nye materiale, kaldet DNA-silicified template for Raman Optical Beacon eller DNA-STROBE, et hold ledet af Ishan Barman, en lektor i maskinteknik, konstruerede optiske hulrum på kun få nanometer eller mindre. I SERS-billeddannelse, disse plasmoniske hulrum "fanger" lysstråler ved at omdanne deres elektromagnetiske stråling til elektronbølger. Barman-holdets bittesmå plasmoniske nanokaviteter øger eksponentielt tætheden af ​​denne fangede elektromagnetiske energi, potentielt muliggør kvantitativ biomolekylær billeddannelse ved ultralave koncentrationer.

"Effektiviteten af ​​SERS-målinger afhænger af arkitekturen og reproducerbarheden af ​​proberne i nanoskala. Hvis de er designet og realiseret med succes, vores DNA-STROBE strukturer tilbyder realtid, enkelt molekyle, etiketfri optisk sensing, der er næsten umulig at opnå med nogen eksisterende platforme, " sagde Barmand, avisens tilsvarende forfatter.

Studiets medforfattere inkluderer Le Liang og Peng Zheng, begge postdoc-stipendiater ved Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

Ifølge Barman, SERS-målinger kan tilbyde hidtil uset indsigt på nanoskala, hvilket fortsat er en udfordrende bestræbelse for konventionelle billeddannelsesmetoder. Intensiteten af ​​SERS-signalet afhænger af størrelsen af ​​hullerne i nanoskala, kendt som "hotspots". Fordi disse nanokaviteter begrænser lysenergi, jo mindre mellemrum, jo højere SERS-signal. Imidlertid, nanokaviteter af denne lille størrelse er ekstremt vanskelige (og dyre) at fremstille på en programmerbar og reproducerbar måde, forklarede han.

Forskerholdet henvendte sig til DNA-nanoteknologi for at finde et svar. Brug af DNA som stilladser, holdet byggede syntetiske nanokaviteter, der har den perfekte størrelse til at blive hotspots. Men i betragtning af DNA's elastiske natur, især dens tilbøjelighed til at folde og bøje, størrelsen af ​​de dannede DNA-STROBE strukturer kan ændre sig, potentielt svækkelse af SERS-signalet. Dermed, holdet indkapslede DNA-STROBE-strukturerne med en beskyttende ultratynd silicaskal for at forhindre sådanne udsving.

Undersøgelsen rapporterede to væsentlige resultater. Først, forskerne viste, at de kunne fremstille ultrasmå nanokaviteter med velkontrolleret og stor elektromagnetisk forbedring af SERS-signalet. Sekund, deres tilgang giver mulighed for enkeltmolekyleundersøgelser selv i biologiske prøver med høje molekylekoncentrationer - en vejspærring i tidligere forskning.

"Vi var glade for at observere, at DNA-STROBE forbedrede Raman-signalet, og det var stærkt nok til at tillade real-time sensing og super-opløsning billeddannelse. Dette vil helt sikkert åbne op for nye muligheder for brug af SERS-analyse, især i sensor- og billedbehandlingsapplikationer, hvor tilsætning af kontrastmidler og farvestoffer ikke er ønskeligt eller praktisk, " sagde Liang.

Det næste skridt, siger forskerne, vil være at udvikle et sæt skræddersyede DNA-STROBE-afledte analytiske værktøjer til en række applikationer. For eksempel, holdet mener, at deres tilgang tilbyder en state-of-the-art platform til ultrafølsom påvisning af cirkulerende cancerbiomarkører.

"Med passende tilpasning, DNA-STROBE kunne muliggøre fremskridt på en lang række områder lige fra klinisk diagnostik og grundlæggende biomedicinsk forskning til miljøsansning og enkeltmolekylemanipulation, " tilføjer Barman.