Ingenjörer vid Ohio State University har uppfunnit en ny sorts nanopartikel som lyser i olika färger för att märka molekyler i biomedicinska tester.

Dessa små nanopartiklar av plast är fyllda med ännu mindre bitar av elektronik som kallas kvantprickar. Som små trafikljus, partiklarna lyser starkt i rött, gul, eller grönt, så forskare kan enkelt spåra molekyler under ett mikroskop.

Detta är första gången någon har skapat fluorescerande nanopartiklar som kan ändra färg kontinuerligt.

Jessica Winter, biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik och biomedicinsk teknik, och forskaren Gang Ruan beskriver sin patentsökta teknologi i onlineupplagan av tidskriften Nanobokstäver .

Forskare märker rutinmässigt molekyler med fluorescerande material för att se dem under mikroskop. Till skillnad från de vanligare fluorescerande molekylerna, kvantprickar lyser väldigt starkt, och kan belysa kemiska reaktioner särskilt väl, gör det möjligt för forskare att se hur levande celler fungerar.

En flaskhals för att bekämpa stora sjukdomar som cancer är bristen på molekylär eller cellulär förståelse för biologiska processer, förklarade ingenjörerna.

"Dessa nya nanopartiklar kan vara ett bra tillskott till arsenalen av biomedicinska ingenjörer som försöker hitta rötter till sjukdomar, sa Ruan.

"Vi kan skräddarsy dessa partiklar för att märka specifika molekyler, och använda färgerna för att spåra processer som vi annars inte skulle kunna, " fortsatte han. "Också, detta arbete kan vara banbrytande för nanoteknikområdet som helhet, eftersom det löser två till synes oförenliga problem med att använda kvantprickar."

Kvantprickar är bitar av halvledare som bara mäter några få nanometer, eller miljarddels meter, tvärs över. De är inte synliga för blotta ögat, men när ljuset lyser på dem, de absorberar energi och börjar glöda. Det är det som gör dem till bra taggar för molekyler.

På grund av kvantmekaniska effekter, kvantprickar "glitter" – de blinkar av och på vid slumpmässiga ögonblick. När många prickar möts, dock, deras slumpmässiga blinkning är mindre märkbar. Så, stora kluster av kvantprickar ser ut att lysa med ett fast ljus.

Att blinka har varit ett problem för forskare, eftersom det bryter upp banan för en rörlig partikel eller taggad molekyl som de försöker följa. Än, att blinka är också fördelaktigt, för när prickar kommer ihop och blinkandet försvinner, forskare vet med säkerhet att taggade molekyler har aggregerat.

"Blinkande är bra och dåligt, Ruan förklarade. "Men en dag insåg vi att vi kunde använda det "bra" och undvika det "dåliga" samtidigt, genom att gruppera några kvantprickar av olika färger tillsammans inuti en micell."

En micell är en sfärisk behållare i nanostorlek, och medan miceller är användbara för laboratorieexperiment, de finns lätt att hitta i hushållsrengöringsmedel – tvål bildar miceller som fångar upp oljor i vatten. Ruan skapade miceller med polymerer, med olika kombinationer av röda och gröna kvantprickar inuti dem.

I tester, han bekräftade att micellerna verkade glöda stadigt. De som bara var fyllda med röda kvantprickar lyste rött, och de som var fyllda med grönt glödde grönt. Men de han fyllde med röda och gröna prickar växlade från rött till grönt till gult.

Färgförändringen sker när en eller annan prick blinkar inuti micellen. När en röd prick blinkar av och den gröna blinkar, micellen lyser grönt. När den gröna blinkar och den röda blinkar på, micellen lyser röd. Om båda lyser, micellen lyser gul.

Den gula färgen beror på våra ögons uppfattning av ljus. Processen är densamma som när en röd pixel och en grön pixel visas tätt intill varandra på en tv- eller datorskärm:våra ögon ser gult.

Ingen kan kontrollera när färgförändringar sker inuti individuella miceller. Men eftersom partiklarna lyser kontinuerligt, forskare kan använda dem för att spåra taggade molekyler kontinuerligt. De kan också övervaka färgförändringar för att upptäcka när molekyler samlas.

Winter och Ruan sa att partiklarna också skulle kunna användas i strömningsmekanisk forskning – specifikt, mikrofluidik. Forskare som utvecklar små medicinska apparater med vätskeseparationskanaler kan använda kvantprickar för att följa vätskans väg.

Samma forskningsteam i Ohio State utvecklar också magnetiska partiklar för att förbättra medicinsk avbildning av cancer, och det kan vara möjligt att kombinera magnetism med quantum dot-teknologin för olika typer av avbildning. Men innan partiklarna skulle vara säkra att använda i kroppen, de måste vara gjorda av biokompatibla material. Kolbaserade nanomaterial är ett möjligt alternativ.

Sålänge, Winter och Ruan kommer att fortsätta utveckla de färgskiftande kvantpartiklarna för studier av celler och molekyler under mikroskop. De ska också utforska vad som händer när kvantprickar av en annan färg – till exempel, blå – tillsätts i blandningen.