(PhysOrg.com) - Forskare kan upptäcka rörelser av enskilda molekyler genom att använda fluorescerande taggar eller genom att dra dem i känsliga kraftmätningar, men bara några minuter. En ny teknik av forskare från Rice University kommer att tillåta dem att spåra enskilda molekyler utan att modifiera dem - och det fungerar över längre tidsperioder.

I det aktuella numret av Nanoteknik , ett team som leds av Jason Hafner, docent i fysik och astronomi och kemi, har visat att de plasmoniska egenskaperna hos nanopartiklar kan "lysa upp" molekylära interaktioner vid enmolekylgränsen på sätt som kommer att vara användbara för forskare.

Hafners metod drar nytta av metallnanopartiklarnas förmåga att fokusera ljus ner till biomolekylära skalor genom en effekt som kallas lokaliserad ytplasmonresonans (LSPR). Guldnanopartiklarna som slutligen användes i experimentet sprider ljus i synliga våglängder, som kan detekteras och spektralanalyseras i ett mikroskop.

"Den exakta toppvåglängden för resonansen är mycket känslig för små störningar i den närliggande dielektriska miljön, "sade doktoranden Kathryn Mayer, ledande student på experimentet. "Genom att spåra toppen med en spektrometer, vi kan upptäcka molekylära interaktioner nära nanopartiklarnas yta. "

Hafner diskuterade först deras framsteg vid en konferens 2006 efter en presentation om guldnanostjärnor som hans laboratorium hade utvecklat. "Vi hade extremt preliminära uppgifter, och jag sa, 'Kanske har vi det.' Jag trodde att vi var nära, "mindes han.

Det som tog tid var att hitta rätt partikel. "Vi började med nanoroder, som inte sprider ljuset bra, åtminstone inte de små nanoroderna vi producerar i mitt labb. Sedan försökte vi nanostjärnor och fann att de var mycket ljusa och känsliga, men var och en hade en annan form och hade en annan toppvåglängd. "

Teamet bestämde sig för bipyramider, 140-nanometer lång, 10-sidiga guldpartiklar som fokuserar ljuset vid sina skarpa spetsar, skapa en halo-liknande "avkänningsvolym, "den dielektriska miljön där förändringar kan läsas av en spektrometer.

Hafner och hans kollegor lånade biokonjugerade kemitekniker, belägga bipyramiderna med antikroppar och sedan tillsätta antigener som starkt binder till dem. Därefter sköljdes antigenerna bort. Närhelst en släpptes från dess bindning till bipyramidantikroppen, forskarna upptäckte en liten förskjutning mot det blå i det röda ljuset som naturligt sprids av guldbipyramider.

Processen är ”etikettfri, ”Vilket betyder att själva molekylen detekteras, snarare än en fluorescerande tagg som kräver modifiering av molekylen, Sa Hafner. Också, den dielektriska egenskapen som detekteras är permanent, så molekyler kan spåras i mer än 10 timmar, jämfört med bara minuter med nuvarande metoder.

"Möjligheten att mäta över långa tidsskalor öppnar möjligheten att studera system med stark affinitet vid enmolekylgränsen, såsom lektin-kolhydratinteraktioner som är ansvariga för celligenkänning och vidhäftning, "Hafner sa." Andra enkelmolekylmetoder baserade på fluorescens begränsas av fotoblekning, och de som baseras på kraftmätningar begränsas av strålningsskador och mekanisk instabilitet. "

Arbetet måste utföras innan LSPR blir en idealisk biologisk sensor, han sa. Teamet planerar att justera bipyramiderna och kommer att testa andra partiklar.

"Med denna bipyramid, vi blev lite för röda, "sa han." Det är en kompromiss. Gör dem långa och de är verkligen känsliga, men så rött att vi inte får så mycket signal. Gör dem kortare, de är något mindre känsliga men du har mer signal.

"Om vi ​​kan öka signal-brusförhållandet med en faktor två eller tre, vi tror att det kommer att vara en kraftfull metod för biologisk forskning. "

Förutom Mayer, Hafners medförfattare inkluderade Peter Nordlander, en risprofessor i fysik och astronomi och i el- och datateknik, tidigare risstudent Feng Hao, nu postdoktor vid Sandia National Laboratories, och Rice doktorand Seunghyun Lee.