Optische barcodes maken detectie en tracking mogelijk via unieke spectrale vingerafdrukken. Ze zijn op grote schaal toegepast in gebieden variërend van gemultiplexte bioassays en celmarkering tot anti-namaak en beveiliging. Yu-Cheng Chen van het Bio+Intelligent Photonics Laboratory aan de Nanyang Technological University merkt op dat het concept van optische streepjescodes typisch verwijst naar een vast spectraal patroon dat overeenkomt met een enkel doelwit.

"Optische streepjescodes hebben niet de mogelijkheid gehad om dynamische veranderingen in reactie op analyten door de tijd heen te karakteriseren, " zegt Chen. Dankzij Chen's onderzoek, dat gaat veranderen.

Chen's groep heeft onlangs bioresponsieve dynamische streepjescodes ontwikkeld, introductie van het concept van resonantie-energieoverdracht op het grensvlak van de microholte. Zoals gemeld in Geavanceerde fotonica , het team demonstreerde de streepjescode experimenteel om moleculen in een druppel te detecteren. De stralingsenergie van een enkele microdruppel wordt overgebracht naar bindende biomoleculen, het omzetten van dynamische biomoleculaire informatie in meer dan biljoenen onderscheidende fotonische streepjescodes.

Holte-verbeterde overdracht van stralingsenergie

Het systeem is gebaseerd op een Whispering-Gallery Mode Resonator (WGMR). De meeste WGMR's zijn geclassificeerd als passief. Als zodanig, ze vereisen een vluchtige golfkoppeling en werken op basis van modusveranderingen veroorzaakt door verstoringen. "In tegenstelling tot, " legt Chen uit, "actieve resonatoren die de analyt als versterkingsmedium gebruiken, kunnen excitatie en verzameling in de vrije ruimte ondersteunen om meer biologische informatie uit emissiesignalen te verkrijgen."

Volgens Chen, het probleem bij het overwegen van moleculaire detectie is de modusbezettingsfactor van de analyt buiten de holte:het is slechts een paar tienden van die in de holte, wat leidt tot een verminderde effectieve Q-factor en een onbevredigende signaal-ruisverhouding. Het concept van resonante energieoverdracht scheidt donormoleculen en acceptormoleculen op het holte-interface, waar overdracht van stralingsenergie plaatsvindt. Stralingsenergie-overdracht gaat gepaard met elektromagnetische straling (in tegenstelling tot conventionele niet-stralings-fluorescentie-resonantie-energieoverdracht, bekend als FRET). Door die straling energieoverdracht kan zelfs optreden in situaties waarin donor en acceptor gescheiden zijn.

"In aanwezigheid van holte-verbeterde mechanismen, efficiënte energieoverdracht en koppeling tussen donoren en acceptoren kan leiden tot verbeterde licht-materie-interacties en signaal-ruisverhouding, " zegt Chen.

Het ontwikkelde systeem maakt gebruik van een effect waarbij de hoge concentratie van kleurstof (donor) in de microdruppel een holte-versterkte energieoverdracht veroorzaakt om de moleculen (acceptor) die aan de holte-interface zijn bevestigd te exciteren.

"Wanneer biomoleculen binden aan het holte-interface, het aantal bindende moleculen verandert de hoeveelheid energieoverdracht, resulterend in onderscheidende gemoduleerde fluorescentie-emissiepieken, ", zegt Chen. Dynamische spectrale streepjescodering werd bereikt door een significante verbetering van de signaal-ruisverhouding bij binding aan doelmoleculen.

Volgens de auteurs is dit biomoleculaire coderingssysteem verlicht een baken voor realtime intermoleculaire interactie en kan de complexiteit van een coderingssysteem aanzienlijk vergroten. Ze geloven dat het concept op grote schaal kan worden toegepast in veel biosensing-toepassingen en optische codering.