Een kleine rechthoek van roze glas, ongeveer zo groot als een postzegel, zit op het bureau van professor Amy Shen. Ondanks zijn uiterlijk bescheiden uiterlijk, dit kleine glasplaatje heeft het potentieel om een ​​breed scala aan processen te revolutioneren, van het bewaken van de voedselkwaliteit tot het diagnosticeren van ziekten.

Het objectglaasje is gemaakt van nanoplasmonisch materiaal - het oppervlak is bedekt met miljoenen gouden nanostructuren, elk slechts enkele miljardsten van een vierkante meter groot. Plasmonische materialen absorberen en verstrooien licht op interessante manieren, waardoor ze unieke detectie-eigenschappen krijgen. Nanoplasmonische materialen hebben de aandacht getrokken van biologen, chemici, natuurkundigen en materiaalwetenschappers, met mogelijke toepassingen in een breed scala aan gebieden, zoals biosensing, gegevens opslag, lichtopwekking en zonnecellen.

In een aantal recente kranten, Prof. Shen en collega's van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) beschreven hun creatie van een nieuw biosensing-materiaal dat kan worden gebruikt om processen in levende cellen te volgen.

"Een van de belangrijkste doelen van nanoplasmonica is om te zoeken naar betere manieren om processen in levende cellen in realtime te volgen, " zegt prof. Shen. Het vastleggen van dergelijke informatie kan aanwijzingen geven over celgedrag, maar het creëren van nanomaterialen waarop cellen lange tijd kunnen overleven maar niet interfereren met de cellulaire processen die worden gemeten, is een uitdaging, ze legt uit.

Delende cellen tellen

Een van de nieuwe biosensoren van het team is gemaakt van een nanoplasmonisch materiaal dat een groot aantal cellen op een enkel substraat kan herbergen en celproliferatie kan volgen. een fundamenteel proces waarbij celgroei en -deling betrokken zijn, live. Door dit proces in actie te zien, kunnen belangrijke inzichten in de gezondheid en functies van cellen en weefsels worden onthuld.

Onderzoekers van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit van OIST beschreven de sensor in een recent gepubliceerd onderzoek in het tijdschrift Geavanceerde biosystemen .

Het meest aantrekkelijke kenmerk van het materiaal is dat het cellen in staat stelt om gedurende lange tijdsperioden te overleven. "Gebruikelijk, wanneer je levende cellen op een nanomateriaal plaatst, dat materiaal is giftig en het doodt de cellen, " zegt dr. Nikhil Bhalla, een postdoctoraal onderzoeker bij OIST en eerste auteur van het papier. "Echter, met behulp van ons materiaal, cellen overleefden meer dan zeven dagen." Het nanoplasmonische materiaal is ook zeer gevoelig:het kan een toename van cellen detecteren van slechts 16 op 1000 cellen.

Het materiaal ziet eruit als een gewoon stuk glas. Echter, het oppervlak is bedekt met kleine nanoplasmonische paddestoelachtige structuren, bekend als nanopaddestoelen, met stengels van siliciumdioxide en doppen van goud. Samen, deze vormen een biosensor die interacties op moleculair niveau kan detecteren.

De biosensor werkt door de nanochampignondoppen te gebruiken als optische antennes. Wanneer wit licht door het nanoplasmonische glaasje gaat, de nanopaddestoelen absorberen en verstrooien een deel van het licht, het veranderen van zijn eigenschappen. De absorptie en verstrooiing van licht wordt bepaald door de grootte, vorm en materiaal van het nanomateriaal en, belangrijker, het wordt ook beïnvloed door elk medium in de buurt van de nanopaddestoel, zoals cellen die op het objectglaasje zijn geplaatst. Door te meten hoe het licht is veranderd zodra het door de andere kant van de dia naar buiten komt, de onderzoekers kunnen processen op het sensoroppervlak detecteren en monitoren, zoals celdeling.

"Normaal gesproken, je moet labels toevoegen, zoals kleurstoffen of moleculen, naar cellen, delende cellen kunnen tellen, " zegt Dr. Bhalla. "Echter, met onze methode, de nanopaddestoelen kunnen ze direct voelen."

Opschalen

Dit werk bouwt voort op een nieuwe methode, ontwikkeld door wetenschappers van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit van OIST, voor het fabriceren van biosensoren voor nanopaddestoelen. De techniek werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces december 2017.

Het produceren van grootschalige nanoplasmonische materialen is een uitdaging omdat het moeilijk is om uniformiteit over het gehele materiaaloppervlak te garanderen. Om deze reden, biosensoren voor routinematige klinische onderzoeken, zoals ziektetesten, ontbreken nog.

Als antwoord op dit probleem, de OIST-onderzoekers ontwikkelden een nieuwe printtechniek om grootschalige biosensoren voor nanopaddenstoelen te maken. Met hun methode ze waren in staat om een ​​materiaal te ontwikkelen dat bestaat uit ongeveer een miljoen paddestoelachtige structuren op een 2,5 cm bij 7,5 cm siliciumdioxidesubstraat.

"Onze techniek is als het nemen van een stempel, bedekken met inkt gemaakt van biologische moleculen, en afdrukken op de nanoplasmon-dia, " zegt Shivani Sathish, een doctoraat student aan OIST en co-auteur van het papier. De biologische moleculen verhogen de gevoeligheid van het materiaal, wat betekent dat het extreem lage concentraties van stoffen kan detecteren, zoals antistoffen, en zo mogelijk ziekten in hun vroegste stadia op te sporen.

"Met onze methode het is mogelijk om een ​​zeer gevoelige biosensor te maken die zelfs afzonderlijke moleculen kan detecteren, " zegt dr. Bhalla, eerste auteur van het artikel.

Plasmonische en nanoplasmonische sensoren bieden belangrijke hulpmiddelen voor veel gebieden, van elektronica tot voedselproductie tot medicijnen. Bijvoorbeeld, in december 2017, tweedejaars promovendus Ainash Garifullina van de Unit ontwikkelde een nieuw plasmonisch materiaal voor het bewaken van de kwaliteit van voedselproducten tijdens het productieproces. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Analytische methodes .

Prof. Shen en haar eenheid zeggen dat, in de toekomst, nanoplasmonische materialen kunnen zelfs worden geïntegreerd met opkomende technologieën, zoals draadloze systemen in microfluïdische apparaten, waardoor gebruikers op afstand metingen kunnen doen en zo het risico op besmetting tot een minimum kunnen beperken.