(Phys.org) — HELDER genoemd, de kleine sondes beschreven in het online nummer van Geavanceerde materialen op 15 november binden aan biomarkers van ziekte en, wanneer geveegd door een infrarood laser, oplichten om hun locatie te onthullen.

Klein als ze zijn, de sondes zijn prachtig ontworpen objecten:gouden nanodeeltjes bedekt met moleculen die Raman-reporters worden genoemd, op zijn beurt bedekt met een dunne schil van goud die spontaan een dodecaëder vormt.

De Raman-reporters zijn moleculen waarvan de trillende atomen reageren op een sondelaser door licht op karakteristieke golflengten te verstrooien.

De schil en de kern creëren een elektromagnetische hotspot in de opening ertussen die de emissie van de verslaggevers met een factor van bijna een biljoen verhoogt.

BRIGHTs schijnen ongeveer 1,7 x 10 ¹¹ helderder dan geïsoleerde Raman-reporters en ongeveer 20 keer intenser dan de naaste concurrent-sonde, zegt Srikanth Singamaneni, doctoraat, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de School of Engineering &Applied Science aan de Washington University in St. Louis.

Goosing het signaal van Raman-reporters

Singamaneni en zijn postdoctoraal onderzoeksmedewerker Naveen Gandra, doctoraat, verschillende sondeontwerpen geprobeerd voordat ze bij BRIGHTS uitkwamen.

Singamaneni's lab werkt al jaren met Raman-spectroscopie, een spectroscopische techniek die wordt gebruikt om de trillingsmodi (buigen en rekken) van moleculen te bestuderen. Laserlicht interageert met deze modi en het molecuul zendt vervolgens licht uit met hogere of lagere golflengten die kenmerkend zijn voor het molecuul,

Spontane Raman-verstrooiing, zoals dit fenomeen wordt genoemd, is van nature erg zwak, maar 30 jaar geleden stuitten wetenschappers per ongeluk op het feit dat het veel sterker is als de moleculen worden geadsorbeerd op geruwde metalen oppervlakken. Toen ontdekten ze dat moleculen die aan metalen nanodeeltjes zijn bevestigd nog helderder glanzen dan die op ruwe oppervlakken.

De intensiteitsboost van oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing, of SERS, is potentieel enorm. "Het is bekend dat als je Raman-reporters tussen twee plasmonische materialen plaatst, zoals goud of zilver, je gaat dramatische Raman-verbetering zien, ' zegt Singamaneni.

Oorspronkelijk probeerde zijn team intense elektromagnetische hotspots te creëren door kleinere deeltjes op een groter centraal deeltje te plakken. het creëren van kern-satelliet-assemblages die op madeliefjes lijken.

"Maar we realiseerden ons dat deze assemblages niet ideaal zijn voor bio-imaging, " hij zegt, "omdat de deeltjes bij elkaar werden gehouden door zwakke elektrostatische interacties en de assemblages in het lichaam uit elkaar zouden vallen."

Vervolgens probeerden ze iets genaamd Click-chemie te gebruiken om sterkere covalente bindingen tussen de satellieten en de kern te maken.

"We hadden enig succes met die vergaderingen, "Singamaneni zegt, "Maar ondertussen begonnen we ons af te vragen of we niet een elektromagnetische hotspot konden maken binnen een enkel nanodeeltje in plaats van tussen deeltjes.

"Het kwam bij ons op dat als we Raman-reporters tussen de kern en de schil van een enkel deeltje zouden plaatsen, we een interne hotspot zouden kunnen creëren."

Dat idee werkte als een tierelier.

Een regenboog van sondes die zorgvuldig drugs uitdelen?

De volgende stap, zegt Singamaneni, is om BRIGHTS in vivo te testen in het lab van Sam Achilefu, doctoraat, hoogleraar radiologie aan de School of Medicine.

Maar hij bedenkt al manieren om nog meer uit het ontwerp te halen.

Omdat verschillende Raman-reportermoleculen op verschillende golflengten reageren, Singamaneni zegt, het moet mogelijk zijn om BRIGHTS te ontwerpen die gericht zijn op verschillende biomoleculen die ook verschillende Raman-reporters hebben en ze vervolgens allemaal tegelijkertijd te monitoren met dezelfde lichtsonde.

En hij en Gandra willen BRIGHTS combineren met een soort drugscontainer, zodat de containers in het lichaam en het medicijn konden worden gevolgd en alleen konden worden vrijgegeven wanneer het het doelweefsel bereikte, waardoor veel van de bijwerkingen waar patiënten bang voor zijn, worden vermeden.

Goede dingen, zoals ze zeggen, komen in kleine verpakkingen.