Команда исследователей из Университета Пердью и Университета Маккуори в Сиднее создала способ контролировать время, в течение которого свет от люминесцентного нанокристалла задерживается, добавляя новое измерение времени к цвету и яркости в технологии оптического обнаружения.
Обнаружение, основанное на продолжительности жизни света, а также на его конкретном цвете или длине волны, экспоненциально увеличивает количество различных комбинаций, которые могут быть созданы и использованы в качестве уникальных сигнатур или тегов для биомедицинских экранов. Экраны, основанные на этой новой технологии, могут одновременно идентифицировать тысячи различных молекул-мишеней, что намного превышает нынешние ограничения таких экранов примерно до 20 различных молекул.
«Эти нанокристаллы могут образовывать комбинированные коды, такие как штрих-коды, чтобы сформировать обширную библиотеку различимых молекулярных зондов, которые можно использовать для комплексной диагностики», – сказал Дайонг Джин, профессор фотоники в Macquarie, руководивший исследованием. «Их можно использовать для скрининговых тестов, которые могут более быстро и точно определить причину инфекции, остаточные раковые образования на ранней стадии и определить местонахождение конкретных молекулярных мишеней для таргетной лекарственной терапии."
Кроме того, свет, излучаемый новыми нанокристаллами, намного дольше того, который возникает в естественных условиях в биологических системах, и называется автофлуоресценцией.
Эта разница во времени четко отделяет сигнал от фонового шума, сказал Дж. Пол Робинсон, профессор цитомики Колледжа ветеринарной медицины Пердью и профессор школы биомедицинской инженерии Велдона Пердью, который помогал проводить исследование в течение последних четырех лет.
«Фотоны, испускаемые этими нанокристаллами, длятся в 1000 раз дольше, чем фотоны, испускаемые биологическими системами, которые вызывают фоновый шум», – сказал Робинсон, который также является директором Purdue Cytometry Laboratories. «Нанокристаллические фотоны остаются, точно так же, как фотоны, которые создали« призрачные »изображения на старых телевизионных экранах, которые останутся после того, как вы выключите телевизор. Подобное явление происходит в этих нанокристаллах. Мы можем зафиксировать этот сигнал после того, как остальные погаснут, и получить невероятное разрешение."
Работа команды подробно описана в документе, который будет опубликован в следующем выпуске журнала Nature Photonics и в настоящее время доступен в Интернете.
Джин руководил разработкой и производством наночастиц, которые исследователи назвали t-Dots. Робинсон руководил разработкой концепции и биологическим тестированием технологии обнаружения.
Исследования Робинсона сосредоточены на проточной цитометрии, анализе клеток, содержащихся в жидкости, проходящей мимо лазерного луча.
Исследовательская группа построила систему сканирующей цитометрии с временным разрешением, которая смогла оценить время жизни излучаемого света, а также цвет и улавливать сигналы t-Dot.
«Частицы, содержащие эти t-точки, можно легко адаптировать для связывания различных антител», – сказал Робинсон. "Можно создать небольшую портативную систему для одновременного исследования нескольких патогенов в напитках или продуктах питания."
По его словам, исследовательская группа успешно разместила нанокристаллы с определенной последовательностью времен жизни в отдельных t-точках, чтобы создать уникальные сигнатуры и успешно связать белок с t-точками, что позволяет им искать и связываться с лямблиями лямблий.
Затем Робинсон планирует усовершенствовать конструкции инструментов проточной цитометрии, которые могут считывать сигнатуры t-Dot, и изучить биомедицинские применения новых инструментов обнаружения.
«Проточная цитометрия – это диагностический инструмент, который используется в самых разных областях, от здравоохранения до национальной безопасности», – сказал Робинсон. «Он может анализировать кровь и мочу для диагностики заболеваний или может анализировать образец, взятый с поверхности, или воздух, смешанный с водой, для обнаружения пищевых патогенов или химических агентов. С помощью t-Dot «нано-тегов» у нас есть возможность проверять сразу несколько целей, и для сбора огромного количества информации за очень короткий промежуток времени потребуется только один небольшой объем образца."
Нанокристаллы представляют собой крошечные кластеры ионов натрия, иттрия и фтора с добавленными следовыми количествами ионов иттербия и излучающего синий редкоземельный элемент тулия. Ион иттербия служит триггером реакции, которая контролирует флуоресценцию тулия, и исследователи контролировали продолжительность излучения этого света, варьируя расстояние между ними.
Когда лазер попадает на нанокристалл, он запускает реакцию, которая приводит к испусканию фотона видимой длины волны или вспышке видимого света.
По словам Ицин Лу, старшего научного сотрудника Университета Маккуори в области фотоники, t-точки также могут использоваться для создания невидимых и практически невозможных подделок знаков на документах, предметах или валюте в качестве меры по борьбе с подделкой.
«Нанося t-Dots на любую поверхность, мы можем оставить секретное сообщение или отметку на любом продукте, которая будет обнаружена только специально разработанным сканером», – сказал Лу. "Это имеет огромный потенциал для подтверждения подлинности любого продукта, от фармацевтических препаратов до медицинских курьерских товаров."
По его словам, исследовательская группа в Macquarie изучает это приложение, а также возможность наслоить t-точки для создания хранилища данных с более высокой плотностью.
Помимо Цзинь, Лу и Робинсона, соавторами статьи являются Цзянбо Чжао, Рун Чжан, Юцзя Лю, Деминг Лю, Ева М. Голдис, Джи Лу, Анвар Сунна, Ю Ши и Джеймс А. Пайпер из Маккуори; Сусан Ян и Пэн Си из Пекинского университета; Роберт С. Лейф из Newport Instruments; Юйцзин Хо из Университета Цинхуа; и Цзян Шен из Olympus Australia.
Грант ARC Discovery под руководством Пайпер и Джин из Macquarie Advanced Cytometry Labs профинансировал эту работу.