Zelfs de kleinste molecule kan een groot verhaal vertellen. Bijvoorbeeld, het observeren van een enkel molecuul kan licht werpen op onderliggende biologische processen in het menselijk lichaam. In feite, moleculaire beeldvormingsprocedures - die niet-invasief en pijnloos zijn - worden gebruikt om de behandeling van COVID-19 te diagnosticeren en te beheren, kanker, hartziekte, en andere ernstige gezondheidsproblemen.

Een van de meer veelbelovende technieken voor beeldvorming met één molecuul is oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie, of SERS. Door een laserstraal op het monster te focussen, SERS detecteert veranderingen in moleculen op basis van hoe ze licht verstrooien, en kunnen specifieke moleculen identificeren via hun unieke Raman-spectra:een soort moleculaire vingerafdruk. Een voordeel van SERS is dat het niet-destructief is en minimale monstervoorbereiding vereist, omdat er geen toegevoegde chemicaliën of aanpassingen nodig zijn om metingen uit te voeren.

In een recent gepubliceerd onderzoek in Geavanceerde materialen , ingenieurs van de Johns Hopkins Whiting School of Engineering beschrijven een nieuw nanomateriaal dat snelle en zeer gevoelige detectie van enkelvoudige moleculen mogelijk maakt met behulp van SERS. Hun uitvinding zou de weg kunnen banen voor snelle en nauwkeurigere diagnostische tests.

Om hun nieuwe materiaal te creëren, genaamd DNA-Silicified Template voor Raman Optical Beacon of DNA-STROBE, een team onder leiding van Ishan Barman, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, geconstrueerde optische holtes van slechts enkele nanometers of minder. Bij SERS-beeldvorming, deze plasmonische holtes "vangen" lichtstralen door hun elektromagnetische straling om te zetten in elektronengolven. De kleine plasmonische nanoholtes van het Barman-team verhogen exponentieel de dichtheid van deze gevangen elektromagnetische energie, mogelijk kwantitatieve biomoleculaire beeldvorming mogelijk maken bij ultralage concentraties.

"De effectiviteit van SERS-metingen hangt af van de architectuur en reproduceerbaarheid van de sondes op nanoschaal. Indien succesvol ontworpen en gerealiseerd, onze DNA-STROBE-structuren bieden realtime, enkel molecuul, labelvrije optische detectie die bijna onmogelijk te bereiken is met bestaande platforms, " zei Barman, corresponderende auteur van het artikel.

Studie co-auteurs zijn onder meer Le Liang en Peng Zheng, beide postdoctorale fellows aan de Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

Volgens Barman, SERS-metingen kunnen ongekende inzichten bieden op nanoschaal, wat een uitdagende onderneming blijft voor conventionele beeldvormingsmethoden. De intensiteit van het SERS-signaal hangt af van de grootte van de gaten op nanoschaal, bekend als "hotspots". Omdat deze nanoholtes de lichtenergie beperken, hoe kleiner de gaten, hoe hoger het SERS-signaal. Echter, nanoholtes van deze kleine omvang zijn extreem moeilijk (en duur) om op een programmeerbare en reproduceerbare manier te fabriceren, hij legde uit.

Het onderzoeksteam wendde zich tot DNA-nanotechnologie om een ​​antwoord te vinden. DNA gebruiken als steigers, het team bouwde synthetische nanoholtes die de perfecte grootte hebben om hotspots te worden. Maar gezien de elastische aard van DNA, vooral de neiging om te vouwen en te buigen, de grootte van de gevormde DNA-STROBE-structuren kan veranderen, mogelijk het SERS-signaal verzwakken. Dus, het team heeft de DNA-STROBE-structuren ingekapseld met een beschermende ultradunne silica-schaal om dergelijke fluctuaties te voorkomen.

De studie rapporteerde twee belangrijke bevindingen. Eerst, de onderzoekers toonden aan dat ze ultrakleine nanoholtes konden fabriceren met goed gecontroleerde en grote elektromagnetische versterking van het SERS-signaal. Tweede, hun aanpak maakt studies met één molecuul mogelijk, zelfs in biologische monsters met hoge molecuulconcentraties - een wegversperring in eerder onderzoek.

"We waren verheugd om te zien dat DNA-STROBE het Raman-signaal versterkte, en het was sterk genoeg om real-time detectie en superresolutie-beeldvorming mogelijk te maken. Dit zal zeker nieuwe wegen openen voor het gebruik van SERS-analyse, met name in detectie- en beeldtoepassingen waar het toevoegen van contrastmiddelen en kleurstoffen niet wenselijk of praktisch is, " zei Liang.

De volgende stap, zeggen de onderzoekers, zal een reeks op maat gemaakte van DNA-STROBE afgeleide analytische instrumenten voor een reeks toepassingen ontwikkelen. Bijvoorbeeld, het team is van mening dat hun aanpak een geavanceerd platform biedt voor ultragevoelige detectie van circulerende kankerbiomarkers.

"Met passend maatwerk, de DNA-STROBE kon vooruitgang mogelijk te maken in een breed scala van gebieden, variërend van klinische diagnostiek en fundamenteel biomedisch onderzoek naar milieu-sensing en single molecule manipulatie, ’ voegt Barman toe.