(PhysOrg.com) -- Wetenschappers kunnen de bewegingen van afzonderlijke moleculen detecteren door fluorescerende tags te gebruiken of door ze in delicate krachtmetingen te trekken, maar slechts voor een paar minuten. Een nieuwe techniek van Rice University-onderzoekers stelt hen in staat om afzonderlijke moleculen te volgen zonder ze te wijzigen - en het werkt over langere tijdschalen.

In het huidige nummer van Nanotechnologie , een team onder leiding van Jason Hafner, een universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde en scheikunde, heeft aangetoond dat de plasmonische eigenschappen van nanodeeltjes moleculaire interacties kunnen "oplichten" bij de limiet van één molecuul op manieren die nuttig zijn voor wetenschappers.

De methode van Hafner maakt gebruik van het vermogen van metalen nanodeeltjes om licht te focussen op biomoleculaire schalen via een effect dat gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) wordt genoemd. De gouden nanodeeltjes die uiteindelijk in het experiment werden gebruikt, verstrooien licht in zichtbare golflengten, die kunnen worden gedetecteerd en spectraal geanalyseerd in een microscoop.

"De exacte piekgolflengte van de resonantie is zeer gevoelig voor kleine verstoringen in de nabijgelegen diëlektrische omgeving, " zei afgestudeerde student Kathryn Mayer, de hoofdstudent van het experiment. "Door de piek te volgen met een spectrometer, we kunnen moleculaire interacties detecteren in de buurt van het oppervlak van de nanodeeltjes."

Hafner besprak voor het eerst hun voortgang op een conferentie in 2006 na een presentatie over gouden nanosterren die zijn laboratorium had ontwikkeld. "We hadden extreem voorlopige gegevens, en ik zei, 'Misschien hebben we het.' Ik dacht dat we dichtbij waren, " herinnerde hij zich.

Wat tijd kostte, was het vinden van het juiste deeltje. "We zijn begonnen met nanostaafjes, die het licht niet goed verstrooien, in ieder geval niet de kleine nanostaafjes die we in mijn lab maken. Toen probeerden we nanosterren en ontdekten dat ze erg helder en gevoelig waren. maar elk had een andere vorm en had een andere piekgolflengte."

Het team koos voor bipiramides, 140 nanometer lang, 10-zijdige gouddeeltjes die licht focussen op hun scherpe punten, het creëren van een halo-achtig "detectievolume, " de diëlektrische omgeving waarin veranderingen kunnen worden afgelezen door een spectrometer.

Hafner en zijn collega's leenden bioconjugaatchemietechnieken, de bipyramiden bekleden met antilichamen en vervolgens antigenen toevoegen die er sterk aan binden. Daarna werden de antigenen afgespoeld. Telkens wanneer iemand werd bevrijd van zijn binding met het bipyramide-antilichaam, de onderzoekers ontdekten een lichte verschuiving naar het blauw in het rode licht dat van nature wordt verstrooid door gouden bipyramiden.

Het proces is "labelvrij, ” wat betekent dat het molecuul zelf wordt gedetecteerd, in plaats van een fluorescerende tag die wijziging van het molecuul vereist, zei Hafner. Ook, de gedetecteerde diëlektrische eigenschap permanent is, zodat moleculen meer dan 10 uur kunnen worden gevolgd, in vergelijking met slechts minuten met de huidige methoden.

"Het vermogen om over lange tijdschalen te meten, opent de mogelijkheid om systemen te bestuderen met een sterke affiniteit bij de limiet van één molecuul, zoals lectine-koolhydraat interacties die verantwoordelijk zijn voor celherkenning en adhesie, "Hafner zei. "Andere methoden met één molecuul op basis van fluorescentie worden beperkt door fotobleking, en die gebaseerd op krachtmetingen worden beperkt door stralingsschade en mechanische instabiliteiten."

Er moet werk worden verzet voordat LSPR een ideale biologische sensor wordt, hij zei. Het team is van plan om de bipyramiden te tweaken en andere deeltjes te testen.

"Met deze bipiramide, we gingen een beetje te rood, "zei hij. "Het is een compromis. Maak ze lang en ze zijn erg gevoelig, maar zo rood dat we niet veel signaal krijgen. Maak ze korter, ze zijn wat minder gevoelig maar je hebt meer signaal.

"Als we de signaal-ruisverhouding met een factor twee of drie kunnen verhogen, we denken dat het een krachtige methode zal zijn voor biologisch onderzoek."

Naast Mayer, Hafner's co-auteurs waren Peter Nordlander, een Rice hoogleraar natuurkunde en astronomie en van elektrotechniek en computertechniek, voormalig Rice afgestudeerde student Feng Hao, nu een postdoctoraal onderzoeker bij Sandia National Laboratories, en Rice afgestudeerde student Seunghyun Lee.