Toen een team van onderzoekers van de Universiteit van Cincinnati een nieuwe nanostructuur ontdekte die significant hogere eigenschappen vertoonde voor gebruik in technologie waarmee artsen kankercellen kunnen zien en vernietigen, ze wisten dat ze met iets spannends bezig waren.

Maar de structuur van de nieuwe SERS-nanotag, zoals het heet, was zo nieuw dat het team – onder leiding van Laura Sagle, een assistent-professor scheikunde, met UC-afgestudeerde studenten Debrina Jana, Jie He en Ian Bruzas - wisten niet wat de veelbelovende gegevens opleverde of hoe deze het beste konden worden geoptimaliseerd.

Betreed Zohre Gorunmez.

De vierdejaars promovendus wordt gecrediteerd voor het uitvoeren van bijna drie jaar aan complexe en gedetailleerde berekeningen om de nieuwe nanotag beter te begrijpen. Ze zal haar bevindingen presenteren op de maartconferentie van de American Physical Society, gehouden van 14-18 maart in Baltimore.

"Het waren berekeningen die niemand op de campus eerder had gedaan, " legde Sagle uit, die fungeert als adviseur van Gorunmez. "Zohre, in wezen alleen en zonder veel begeleiding en hulp, heb deze berekeningen in gang gezet."

De ontdekking kwam in 2013 als onderdeel van het werk van de Sagle Lab-onderzoeksgroep bij het ontwikkelen van nieuwe methoden om afzonderlijke moleculen te bestuderen en te onderzoeken met behulp van een techniek die oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie wordt genoemd, of SERS.

De techniek richt zich op moleculen met behulp van lasers, wat resulteert in een verstrooiing van licht op verschillende golflengten langs een spectrum. Omdat de moleculen zwakke signalen produceren, gouden of zilveren nanodeeltjes worden gebruikt om ze te versterken, die wordt gemeten door een spectrometer voor analyse.

Het proces is zeer gevoelig en vol uitdagingen, inclusief problemen met reproduceerbaarheid, signaalstabiliteit en een gebrek aan kwantitatieve informatie.

Het team keek naar eerder onderzoek, die een grotere verbetering vertoonden van moleculen die zich binnen een opening van één nanometer tussen een structuur met een gladde metalen kern en schaal bevinden. Maar dit gat van één nanometer – 100, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar – is vaak moeilijk en duur om te produceren, resulterend in een gebrek aan wijdverbreid gebruik.

Het team nam ook kennis van ander populair onderzoek met gouden nanosterren, een stervruchtvormig deeltje dat meer verbetering mogelijk heeft gemaakt, maar is zeer variabel vanwege de moeilijkheid om het aantal en de grootte van de stekelige tips te beheersen.
geïnspireerd, het team besloot de twee concepten te combineren en een structuur te creëren die bestaat uit een gladde binnenste metalen kern omgeven door een stekelige metalen buitenschaal met een tussenruimte van drie nanometer - een benadering die nog nooit eerder is gecreëerd, zei Sagle.

De nieuw gecreëerde nanotag produceerde een 10 keer grotere signaalverbetering in vergelijking met kernstructuren met gladde schaal, waardoor het mogelijk is om minieme hoeveelheden organische moleculen te detecteren, zoals DNA, voor bepaalde ziekten, ze zei.

Niet alleen dat, de stekelige structuren zijn efficiënter in het genereren van warmte, nuttig bij het vernietigen van kankercellen, en een groter oppervlak bieden dat meer medicijnen kan bevatten om een ​​grotere gerichte explosie aan zieke cellen te leveren, zei Sagle.

"Hiermee kun je richten, image en release drugs allemaal met één apparaat, " ze legde uit.

Hoewel de ontdekking zelf nieuw bleek te zijn, Sagle wist dat de veelbelovende nanotag van het team verder geanalyseerd moest worden. begrepen en gemodelleerd voordat het in biologische toepassingen kon worden gebruikt. Dat is waar Gorunmez binnenkwam.

Onder leiding van Thomas Beck, een professor in de chemie, Gorunmez leerde nieuwe code en programmering om de gecompliceerde gegevens te berekenen. Haar bijdragen bleken van onschatbare waarde, zei Sagle, waardoor ze een plek kreeg als co-eerste auteur op het papier waarin de ontdekking werd beschreven.

"Met de berekeningen van Zohre, het was een veel betere krant die liet zien dat we iets nieuws hadden gemaakt, het vertoonde betere eigenschappen en we begrijpen tot op zekere hoogte waarom, " ze zei."

Gorunmez zei dat hoewel het werk uitdagend bleek, de belofte van wat de gegevens inhouden voor gebruik in biogezondheidstoepassingen voedde haar drive om door te zetten.

"Het is nieuw. Ik weet zeker dat het wetenschappers in medisch onderzoek zal helpen om die structuren te gebruiken om te krijgen wat ze nodig hebben. Als ik dit weet, word ik opgewonden, " ze zei.