Результаты появились в сети 6 мая в журнале Nano Letters.
Плазмоника – это научная область, которая улавливает энергию в петле обратной связи, называемой плазмоном, на поверхности серебряных нанокубов. Когда флуоресцентные молекулы зажаты между одним из этих нанокубов и металлической поверхностью, взаимодействие между их электромагнитными полями заставляет молекулы излучать свет намного сильнее.
Майкен Миккельсен, Джеймс Н. и Элизабет Х. Бартон, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Дьюке, уже почти десять лет работает со своей лабораторией в Дьюке над созданием новых типов гиперспектральных камер и сверхбыстрых оптических сигналов с использованием плазмоники.
В то же время исследователи в лаборатории Ашутоша Чилкоти, Алан Л. Каганов, заслуженный профессор биомедицинской инженерии, работали над автономным диагностическим тестом в месте оказания медицинской помощи, который может выявить следовые количества определенных биомаркеров из биомедицинских жидкостей, таких как кровь. Но поскольку тесты полагаются на флуоресцентные маркеры, чтобы указать на присутствие биомаркеров, для того, чтобы увидеть слабый свет едва положительного теста, требуется дорогое и громоздкое оборудование.
«Наши исследования уже показали, что плазмоника может увеличивать яркость флуоресцентных молекул в десятки тысяч раз», – сказал Миккельсен. "Использование его для улучшения диагностических тестов, которые ограничены их флуоресценцией, было явно очень захватывающей идеей."
«Примеров людей, использующих плазмонно-усиленную флуоресценцию для диагностики в местах оказания медицинской помощи, не так много, а те немногие, которые существуют, еще не внедрены в клиническую практику», – добавила Дарья Семеняк, аспирантка лаборатории Чилкоти. "Нам потребовалось несколько лет, но мы думаем, что разработали систему, которая может работать."
В новой статье исследователи из лаборатории Чилкоти строят свою сверхчувствительную диагностическую платформу, называемую анализом D4, на тонкой пленке золота, которая является предпочтительной инь по сравнению с янь плазмонного серебряного нанокуба. Платформа начинается с тонкого слоя полимерного кистевого покрытия, которое предотвращает прилипание к золотой поверхности всего, что исследователи не хотят там наклеивать.
Затем исследователи используют струйный принтер, чтобы прикрепить две группы молекул, предназначенные для фиксации на биомаркере, который тест пытается обнаружить. Один набор постоянно прикреплен к поверхности золота и улавливает одну часть биомаркера. Другой смывается с поверхности после начала теста, присоединяется к другому участку биомаркера и мигает светом, показывая, что он нашел свою цель.
По прошествии нескольких минут, чтобы позволить реакции произойти, остальная часть образца смывается, оставляя после себя только молекулы, которым удалось найти свои биомаркеры, плавающие, как флуоресцентные маяки, привязанные к золотому полу.
«Настоящее значение анализа – это полимерное покрытие кистью», – сказал Чилкоти. «Полимерная щетка позволяет нам хранить все необходимые инструменты на микросхеме, сохраняя при этом простой дизайн."
Хотя анализ D4 очень хорош для захвата небольших следов конкретных биомаркеров, если есть только следовые количества, флуоресцентные маяки может быть трудно увидеть. Задача Миккельсен и ее коллег заключалась в том, чтобы разместить свои плазмонные серебряные нанокубы над маяками таким образом, чтобы они усиливали флуоресценцию маяков.
Но, как обычно, это было легче сказать, чем сделать.
«Расстояние между серебряными нанокубиками и золотой пленкой определяет, насколько ярче становится флуоресцентная молекула», – сказала Даниэла Круз, аспирантка, работающая в лаборатории Миккельсена. «Наша задача заключалась в том, чтобы сделать полимерное покрытие кисти достаточно толстым, чтобы улавливать биомаркеры – и только интересующие биомаркеры, – но достаточно тонким, чтобы по-прежнему улучшать диагностические индикаторы."
Исследователи попытались решить эту загадку Златовласки двумя способами.
Сначала они добавили электростатический слой, который связывается с молекулами детектора, несущими флуоресцентные белки, создавая своего рода «второй этаж», на котором могли бы располагаться серебряные нанокубики. Они также попытались функционализировать серебряные нанокубцы, чтобы они прилипали непосредственно к отдельным молекулам детектора на индивидуальной основе.
В то время как оба подхода преуспели в увеличении количества света, исходящего от маяков, первый показал лучшее улучшение, увеличив его флуоресценцию более чем в 150 раз. Однако этот метод также требует дополнительного шага по созданию «второго этажа», что добавляет еще одно препятствие к разработке способа сделать эту работу для коммерческой диагностики в местах оказания медицинской помощи, а не только в лаборатории. И хотя при втором подходе флуоресценция улучшилась не так сильно, точность теста повысилась.
«Создание микрожидкостных устройств типа« лаборатория на кристалле »с использованием любого из этих подходов потребует времени и ресурсов, но они оба теоретически выполнимы», – сказал Кассио Фонтес, аспирант лаборатории Чилкоти. "Это то, к чему движется анализ D4."
И проект продвигается вперед.
Ранее в этом году исследователи использовали предварительные результаты этого исследования, чтобы получить пятилетний кредит в размере 3 долларов США.Награда за исследования в размере 4 миллионов рублей от Национального института сердца, легких и крови. Сотрудники будут работать над оптимизацией этих улучшений флуоресценции, интегрируя лунки, микрофлюидные каналы и другие недорогие решения в одношаговое диагностическое устройство, которое может выполнять все эти этапы автоматически и считываться обычной камерой смартфона в условиях низкой скорости. стоимость устройства.
«Одной из серьезных проблем при проведении тестов на месте оказания медицинской помощи является возможность считывать результаты, для чего обычно требуются очень дорогие детекторы», – сказал Миккельсен. "Это серьезное препятствие на пути к одноразовым тестам, позволяющим пациентам контролировать хронические заболевания дома или для использования в условиях ограниченных ресурсов. Мы рассматриваем эту технологию не только как способ обойти это узкое место, но и как способ повысить точность и пороговые значения этих диагностических устройств."