Манипуляция светом в наномасштабе помогает продвигать биосенсорику
Традиционные медицинские анализы часто требуют отправки клинических образцов в лабораторию для анализа — это длительный и дорогой процесс. Диагностика у постели больного (point-of-care) — это, напротив, недорогие, простые в использовании и быстрые тесты, выполняемые непосредственно в месте оказания помощи пациенту. Исследователи из Института геномной биологии Карла Р. Вуза сообщили о новых и оптимизированных методах разработки более совершенных биосенсоров для раннего обнаружения биомаркеров заболеваний.
Иридесценция павлиньих перьев, меняющих цвет в зависимости от угла падения света, издавна привлекала внимание. При отсутствии пигментов эти цвета являются результатом взаимодействия света с наноскопическими структурами — фотонными кристаллами, расположенными на поверхности перьев.
Вдохновленные биологией, ученые использовали силу этих фотонных кристаллов для биосенсорных технологий благодаря их способности управлять поглощением и отражением света. Поскольку их свойства определяются наноструктурой, фотонные кристаллы можно точно проектировать для различных целей.
Группа наносенсоров Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне под руководством профессора электротехники и вычислительной техники Брайана Каннингема ранее разработала биосенсоры на основе фотонных кристаллов, которые усиливают флуоресценцию с помощью золотых наночастиц, выступающих в роли меток для детектирования различных молекулярных биомаркеров. Однако, хотя эта инновационная технология позволяет обнаруживать молекулы биомаркеров на низком уровне, у нее еще есть потенциал для улучшения.
«Традиционно металлические наночастицы, особенно золотые, обладают потенциалом для усиления флуоресценции, но страдают от фундаментального недостатка на близком расстоянии, — сказал Симиш Бхаскар, ведущий автор исследования. — Эти наночастицы могут гасить (quench) — или уменьшать — самые флуоресцентные сигналы, которые они призваны усиливать. Это создает «мертвую зону» детектирования, ограничивая чувствительность биосенсоров».
В статье, опубликованной в MRS Bulletin, исследовательская группа стремилась преодолеть это ограничение, представив новый класс криосоретных наносборок. Эти организованные структуры, состоящие из субъединиц золотых наночастиц, формируются с помощью быстрой криогенной заморозки.
«Самосборка — фундаментальный принцип природы, будь то формирование планетарных систем в космологии или точная организация нуклеотидов в ДНК, — сказал Бхаскар. — То, что отдельные наночастицы не могут сделать в одиночку, становится возможным благодаря их коллективной организации. В своей основе это инженерия оптического поведения — как структурного, так и функционального — посредством продуманного дизайна».
Благодаря интеграции этих криосоретных наносборок со специально разработанными фотонными кристаллами, флуоресценция продемонстрировала 200-кратное усиление сигнала по сравнению с одним фотонным кристаллом. Это показало, что тушение флуоресценции было эффективно минимизировано, что делает технологию многообещающей для обнаружения низких концентраций биомаркеров.
Развивая эту работу, команда далее стремилась внедрить магнитную настраиваемость в наносборки, с долгосрочной целью создания интеллектуальных, отзывчивых биосенсоров.
Свет — это определенный диапазон частот электромагнитного излучения; другие примеры включают радиоволны, микроволны и рентгеновские лучи. Электромагнитное излучение распространяется в пространстве в форме волн и, как следует из названия, состоит как из электрической, так и из магнитной компоненты. В то время как многие биосенсорные системы используют электрическую компоненту света, магнитная компонента в значительной степени игнорируется.
В исследовании, опубликованном в журнале APL Materials, Бхаскар и его коллеги разработали магнито-плазмонные криосоретные наносборки. Они интегрировали эти наносборки на интерфейс фотонного кристалла и обнаружили, что это успешно задействует как электрическую, так и магнитную компоненты света. Они протестировали свою платформу с использованием обычного флуорофора, что привело к сверхчувствительному обнаружению в аттомолярном диапазоне при сохранении минимизации тушения флуоресценции.
В целом, это двухкомпонентное взаимодействие позволяет усилить контроль над взаимодействием света и вещества в наномасштабе, предлагая новый метод для проектирования высокочувствительных и настраиваемых биосенсорных платформ.
«Эта работа представляет собой гибридную оптическую платформу, где фотоны не просто излучаются — они оркеструются, — сказал Каннингем. — Эта конвергенция фотонно-плазмонного моделирования, передовой нанофабрикации и принципов химического машиностроения имеет далеко идущие последствия, особенно в сфере медицинской диагностики».
В дальнейшем исследователи планируют продолжить оптимизацию криосоретных наносборок для нацеливания на конкретные биомаркеры, такие как микроРНК, циркулирующая опухолевая ДНК и вирусные частицы, для раннего выявления рака и инфекционных заболеваний. Они надеются, что при дальнейшем улучшении технологии диагностики у постели больного смогут удовлетворить насущную потребность в чувствительных, доступных и развертываемых биосенсорных системах.