Ingenieurs van de Ohio State University hebben een nieuw soort nanodeeltje uitgevonden dat in verschillende kleuren schijnt om moleculen te labelen in biomedische tests.

Deze kleine plastic nanodeeltjes zijn gevuld met nog kleinere stukjes elektronica die kwantumstippen worden genoemd. Als kleine verkeerslichten, de deeltjes gloeien helder rood, geel, of groen, zodat onderzoekers moleculen gemakkelijk onder een microscoop kunnen volgen.

Dit is de eerste keer dat iemand fluorescerende nanodeeltjes heeft gemaakt die continu van kleur kunnen veranderen.

Jessica Winter, universitair docent chemische en biomoleculaire technologie en biomedische technologie, en onderzoekswetenschapper Gang Ruan beschrijven hun technologie waarvoor patent is aangevraagd in de online editie van het tijdschrift Nano-letters .

Onderzoekers labelen routinematig moleculen met fluorescerende materialen om ze onder de microscoop te kunnen zien. In tegenstelling tot de meer gebruikelijke fluorescerende moleculen, kwantumstippen schijnen heel helder, en zou chemische reacties bijzonder goed kunnen belichten, waardoor onderzoekers de innerlijke werking van levende cellen kunnen zien.

Een knelpunt bij de bestrijding van belangrijke ziekten zoals kanker is het gebrek aan begrip op moleculair of cellulair niveau van biologische processen, legden de ingenieurs uit.

"Deze nieuwe nanodeeltjes kunnen een geweldige aanvulling zijn op het arsenaal van biomedische ingenieurs die proberen de wortels van ziekten te vinden, ' zei Ruan.

"We kunnen deze deeltjes op maat maken om bepaalde moleculen te labelen, en de kleuren gebruiken om processen te volgen die we anders niet zouden kunnen, " ging hij verder. "Ook, dit werk zou baanbrekend kunnen zijn op het gebied van nanotechnologie als geheel, omdat het twee schijnbaar onverenigbare problemen oplost met het gebruik van kwantumstippen."

Quantum dots zijn stukjes halfgeleider die slechts enkele nanometers groot zijn, of miljardsten van een meter, aan de overkant. Ze zijn niet zichtbaar voor het blote oog, maar als er licht op schijnt, ze absorberen energie en beginnen te gloeien. Dat maakt ze goede tags voor moleculen.

Door kwantummechanische effecten, kwantumstippen "fonkelen" - ze knipperen op willekeurige momenten aan en uit. Als veel punten bij elkaar komen, echter, hun willekeurige knipperen is minder opvallend. Dus, grote clusters van kwantumstippen lijken te gloeien met een constant licht.

Knipperen was een probleem voor onderzoekers, omdat het de baan verbreekt van een bewegend deeltje of gelabeld molecuul dat ze proberen te volgen. Nog, knipperen is ook gunstig, want als stippen bij elkaar komen en het knipperen verdwijnt, onderzoekers weten zeker dat gelabelde moleculen zijn geaggregeerd.

"Knipperen is goed en slecht, " legde Ruan uit. "Maar op een dag realiseerden we ons dat we het 'goede' konden gebruiken en tegelijkertijd het 'slechte' konden vermijden, door een paar kwantumstippen van verschillende kleuren in een micel te groeperen."

Een micel is een bolvormige container van nanoformaat, en hoewel micellen nuttig zijn voor laboratoriumexperimenten, ze zijn gemakkelijk te vinden in huishoudelijke wasmiddelen - zeep vormt micellen die oliën in water opvangen. Ruan creëerde micellen met behulp van polymeren, met verschillende combinaties van rode en groene kwantumstippen erin.

Bij testen, hij bevestigde dat de micellen gestaag leken te gloeien. Die gevuld met alleen rode kwantumstippen gloeiden rood, en die gevuld met groen gloeiden groen. Maar die met rode en groene stippen vulde hij afwisselend van rood naar groen naar geel.

De kleurverandering vindt plaats wanneer een of andere stip in de micel knippert. Wanneer een rode stip uit knippert en de groene knippert, de micel licht groen op. Wanneer de groene knippert uit en de rode knippert, de micel gloeit rood. Als beide branden, de micel licht geel op.

De gele kleur is te wijten aan de waarneming van licht door onze ogen. Het proces is hetzelfde als wanneer een rode pixel en een groene pixel dicht bij elkaar verschijnen op een televisie- of computerscherm:onze ogen zien geel.

Niemand kan bepalen wanneer kleurveranderingen plaatsvinden binnen individuele micellen. Maar omdat de deeltjes continu gloeien, onderzoekers kunnen ze gebruiken om gelabelde moleculen continu te volgen. Ze kunnen ook kleurveranderingen volgen om te detecteren wanneer moleculen samenkomen.

Winter en Ruan zeiden dat de deeltjes ook kunnen worden gebruikt in onderzoek naar vloeistofmechanica, met name micro-vloeistoffen. Onderzoekers die kleine medische apparaten met vloeistofscheidingskanalen ontwikkelen, zouden kwantumstippen kunnen gebruiken om het pad van de vloeistof te volgen.

Hetzelfde onderzoeksteam in de staat Ohio ontwikkelt ook magnetische deeltjes om de medische beeldvorming van kanker te verbeteren. en het kan mogelijk zijn om magnetisme te combineren met de quantum dot-technologie voor verschillende soorten beeldvorming. Maar voordat de deeltjes veilig in het lichaam konden worden gebruikt, ze zouden gemaakt moeten zijn van biocompatibele materialen. Op koolstof gebaseerde nanomaterialen zijn een mogelijke optie.

Ondertussen, Winter en Ruan gaan door met het ontwikkelen van de kleurveranderende quantum dot-deeltjes voor onderzoek van cellen en moleculen onder de microscoop. Ze gaan ook onderzoeken wat er gebeurt als kwantumstippen van een andere kleur – bijvoorbeeld blauw – worden aan de mix toegevoegd.