Dynamiska fotoniska streckkoder möjliggör molekylär detektion. Kredit:Zhou et al., doi 10.1117/1.AP.2.6.066002
Optiska streckkoder möjliggör detektering och spårning via unika spektrala fingeravtryck. De har använts i stor utsträckning inom områden som sträcker sig från multiplexade bioanalyser och cellmärkning till förfalskning och säkerhet. Yu-Cheng Chen från Bio+Intelligent Photonics Laboratory vid Nanyang Technological University noterar att konceptet med optiska streckkoder vanligtvis refererar till ett fast spektralmönster som motsvarar ett enda mål.
"Optiska streckkoder har saknat förmågan att karakterisera dynamiska förändringar som svar på analyter genom tiden, " säger Chen. Tack vare Chens forskning, det är på väg att förändras.
Chens grupp utvecklade nyligen bioresponsiva dynamiska streckkoder, introducerar begreppet resonansenergiöverföring vid gränssnittet mellan mikrokaviteten. Som rapporterats i Avancerad fotonik , teamet demonstrerade streckkoden experimentellt för att upptäcka molekyler i en droppe. Strålningsenergin från en enda mikrodroppe överförs till bindande biomolekyler, omvandlar dynamisk biomolekylär information till mer än biljoner distinkta fotoniska streckkoder.
Kavitetsförbättrad strålningsenergiöverföring
Systemet är baserat på en viskningsgallerilägesresonator (WGMR). Majoriteten av WGMR klassificeras som passiva. Som sådan, de kräver evanescent vågkoppling och fungerar baserat på modändringar inducerade av störningar. "I kontrast, " förklarar Chen, "aktiva resonatorer som använder analytten som ett förstärkningsmedium kan stödja excitation och insamling i fritt utrymme för att få mer biologisk information från utsläppssignaler."
Begreppet kavitetsförbättrad energiöverföring. (b) Schematiskt diagram som tolkar kavitetsenergiöverföring och den fotoniska streckkodningen. Den övre panelen visar WGM med och utan acceptor nära kavitetsgränsen. Den nedre panelen visar motsvarande spektra och fotoniska streckkoder före och efter energiöverföring. (c) Dynamiska optiska spektra och motsvarande fotoniska streckkoder från bindande biomolekyler. Kredit:Zhou et al., doi 10.1117/1.AP.2.6.066002
Enligt Chen, Problemet när man överväger molekylär detektion är analytens ockupationsfaktor utanför kaviteten:Det är bara några tiondelar från det inuti kaviteten, vilket leder till en reducerad effektiv Q-faktor och otillfredsställande signal-brusförhållande. Konceptet med resonansenergiöverföring separerar donatormolekyler och acceptormolekyler vid kavitetsgränsytan, där överföring av strålande energi sker. Strålningsenergiöverföring åtföljs av elektromagnetisk strålning (till skillnad från konventionell icke-strålande fluorescensresonansenergiöverföring, känd som FRET). På grund av den strålningen, energiöverföring kan ske även i situationer där donator och acceptor är separerade.
"I närvaro av kavitetsförstärkta mekanismer, effektiv energiöverföring och koppling mellan donatorer och acceptorer kan leda till förbättrade ljus-materia-interaktioner och signal-brusförhållande, säger Chen.
Det utvecklade systemet drar fördel av en effekt där den höga koncentrationen av färgämne (donator) inuti mikrodroppen utlöser en kavitetsförstärkt energiöverföring för att excitera molekylerna (acceptorn) som är fästa vid kavitetsgränsytan.
"När biomolekyler binder till kavitetens gränssnitt, antalet bindande molekyler ändrar mängden energiöverföring, vilket resulterar i distinkta modulerade fluorescensemissionstoppar, "säger Chen. Dynamisk spektral streckkodning uppnåddes genom en signifikant förbättring av signal-brus-förhållandet vid bindning till målmolekyler.
Enligt författarna, detta biomolekylära kodningssystem lyser upp en fyr för intermolekylär interaktion i realtid och kan avsevärt öka komplexiteten hos ett kodningssystem. De tror att konceptet kan tillämpas brett i många biosensing-applikationer och optisk kryptering.
