Onderzoekers die werken aan het bevorderen van beeldvorming die nuttig is voor geneeskunde en veiligheid, profiteren van hetzelfde fenomeen achter het aanhoudende 'spookbeeld' dat op oude televisieschermen verscheen.

Een team van onderzoekers van Purdue University en Macquarie University in Sydney heeft een manier ontwikkeld om de tijdsduur dat het licht van een lichtgevend nanokristal blijft hangen, te regelen. een nieuwe dimensie van tijd toevoegen aan kleur en helderheid in optische detectietechnologie.

Detectie op basis van de levensduur van het licht en de specifieke kleur, of golflengte, verhoogt exponentieel het aantal verschillende combinaties dat kan worden gemaakt en gebruikt als unieke handtekeningen, of labels, voor biomedische schermen. Schermen op basis van deze nieuwe technologie kunnen duizenden verschillende doelmoleculen tegelijk identificeren, ver overtreft de huidige limieten van dergelijke schermen tot ongeveer 20 verschillende moleculen.

"Deze nanokristallen kunnen combinatiecodes vormen, zoals streepjescodes, om een ​​enorme bibliotheek van te onderscheiden moleculaire sondes te vormen, die kunnen worden gebruikt voor complexe diagnostiek, " zei Dayong Jin, de professor fotonica aan Macquarie die het onderzoek leidde. "Ze kunnen worden gebruikt voor screeningtests die de oorzaak van infectie sneller en nauwkeuriger kunnen identificeren, residukanker in een vroeg stadium en lokaliseer de specifieke moleculaire doelwitten voor gerichte medicamenteuze therapieën."

In aanvulling, licht dat door de nieuwe nanokristallen wordt uitgestraald, gaat veel langer mee dan wat van nature in biologische systemen voorkomt, autofluorescentie genoemd. Dat verschil in timing onderscheidt het signaal duidelijk van achtergrondruis, zei J. Paul Robinson, de professor in cytomics in Purdue's College of Veterinary Medicine en professor in Purdue's Weldon School of Biomedical Engineering, die de afgelopen vier jaar hielp bij het leiden van de studie.

"De fotonen die door deze nanokristallen worden uitgezonden, duren 1 000 keer langer dan de fotonen die worden uitgezonden door biologische systemen die achtergrondruis veroorzaken, " zei Robinson, die ook directeur is van de Purdue Cytometry Laboratories. "De nanokristalfotonen blijven, net als de fotonen die de 'spookbeelden' op oude televisieschermen creëerden die zouden blijven hangen nadat je de set had uitgezet. Een soortgelijk fenomeen doet zich voor in deze nanokristallen. We kunnen dit signaal opvangen nadat de anderen donker zijn geworden en een ongelooflijke resolutie krijgen."

Het werk van het team wordt gedetailleerd beschreven in een paper dat zal worden gepubliceerd in het volgende nummer van Natuurfotonica en is momenteel online beschikbaar. Jin leidde het ontwerp en de fabricage van de nanodeeltjes, die de onderzoekers t-Dots noemden. Robinson leidde de conceptontwikkeling en het biologische testen van de detectietechnologie.

Robinsons onderzoek richt zich op flowcytometrie, de analyse van cellen die zich in een vloeistof bevinden die langs een laserstraal stroomt. Het onderzoeksteam bouwde een in de tijd opgelost scanningcytometriesysteem dat in staat was om de levensduur van het uitgestraalde licht te evalueren, evenals de kleur en de τ-Dot-signalen vast te leggen.

"Deeltjes die deze τ-Dots bevatten, kunnen eenvoudig worden aangepast om verschillende antilichamen te binden, "Zei Robinson. "Er zou een klein en draagbaar systeem kunnen worden gemaakt om meerdere pathogenen tegelijk in dranken of voedsel te onderzoeken."

Het onderzoeksteam heeft de nanokristallen met succes gelaagd met een specifieke opeenvolging van levens in individuele τ-Dots om unieke handtekeningen te creëren en met succes een eiwit aan de τ-Dots te binden, waardoor ze Giardia lamblia kunnen opzoeken en eraan kunnen binden, hij zei. Robinson is vervolgens van plan de ontwerpen van flowcytometrie-instrumenten die de τ-Dot-signaturen kunnen lezen te verfijnen en de biomedische toepassingen van nieuwe detectietools te onderzoeken.

"Flowcytometrie is een diagnostisch hulpmiddel dat wordt gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, van gezondheidszorg tot binnenlandse veiligheid, Robinson zei. "Het kan bloed en urine analyseren om ziekte te diagnosticeren, of kan een monster analyseren dat is genomen van een oppervlak of de lucht gemengd met water om door voedsel overgedragen pathogenen of chemische agentia te detecteren. Met de τ-Dot 'nano-tags, ' we hebben de mogelijkheid om op veel doelen tegelijk te screenen, en er is slechts één klein volume monster nodig om in een zeer korte tijd een enorme hoeveelheid informatie te verzamelen."

De nanokristallen zijn kleine clusters van natrium, yttrium- en fluoride-ionen met toegevoegde sporenhoeveelheden ionen van ytterbium en het blauw emitterende zeldzame-aarde-element thulium. Het ytterbium-ion dient als trigger voor de reactie die de thuliumfluorescentie regelt, en de onderzoekers controleerden hoe lang dit licht wordt uitgestraald door de afstand tussen de twee te variëren.

Wanneer een laser een nanokristal raakt, veroorzaakt het een reactie die leidt tot de emissie van een foton op een zichtbare golflengte, of een uitbarsting van zichtbaar licht.

De τ-Dots kunnen ook worden gebruikt om onzichtbare en bijna onmogelijk te smeden markeringen op documenten te maken, artikelen of valuta als anti-namaakmaatregel, zei Yiqing Lu, een senior Macquarie University Research Fellow in fotonica.

"Door τ-Dots op elk oppervlak aan te brengen, we kunnen een geheim bericht achterlaten of een merkteken achterlaten op elk product, die alleen zal worden onthuld door een speciaal ontworpen scanner, " zei Lu. "Dit heeft een enorm potentieel bij het bevestigen van de authenticiteit van elk product, van farmaceutische medicijnen tot medische koeriersbenodigdheden."

Het onderzoeksteam van Macquarie onderzoekt deze toepassing en de mogelijkheid om de τ-Dots in lagen te plaatsen om gegevensopslag met een hogere dichtheid te creëren, hij zei.