Tack vare en ny enhet som är lika stor som ett människohår, det är nu möjligt att detektera molekyler i en flytande lösning och observera deras interaktioner. Detta är av stort intresse för forskarsamhället, eftersom det för närvarande inte finns något tillförlitligt sätt att undersöka både beteendet och den kemiska strukturen hos molekyler i en vätska i realtid.

Utvecklad vid Boston University av Hatice Altug och hennes student Ronen Adato, processen sammanför infraröda detekteringstekniker och guldnanopartiklar. Det skulle potentiellt kunna göra en helt ny klass av mätningar möjlig, vilket skulle vara ett kritiskt steg för att förstå grundläggande biologiska funktioner såväl som nyckelaspekter av sjukdomsprogression och behandling. "Vår teknik kan visa sig användbar för att studera beteendet hos proteiner, läkemedel och celler i blodet eller föroreningar i vatten", säger Hatice Altug.

Nu har en forskare vid EPFL Dr. Altug fått sina resultat publicerade i Naturkommunikation .

Som en gitarrsträng

Enheten är baserad på en välkänd detektionsteknik som kallas infraröd absorptionsspektroskopi. Infrarött ljus kan redan användas för att detektera element:strålen exciterar molekylerna, som börjar vibrera på olika sätt beroende på storlek, sammansättning och andra egenskaper. "Det är som en gitarrsträng som vibrerar olika beroende på dess längd, " förklarar Hatice Altug. Den unika vibrationen för varje typ av molekyl fungerar som en signatur för den molekylen.

Denna teknik fungerar mycket bra i torra miljöer men inte alls bra i vattenhaltiga miljöer. "Det måste finnas ett stort antal molekyler för att de ska kunna detekteras. Det är också svårare att upptäcka molekyler i vatten, som när strålen går genom lösningen, vattenmolekylerna vibrerar också och stör målmolekylens signatur, " förklarar Dr. Altug.

Använda nanopartiklar för att fånga och belysa molekyler

För att komma runt dessa hinder, forskarna har utvecklat ett system som kan isolera målmolekylerna och eliminera störningar.

Storleken på ett öre, enheten består av vätskekammare i miniatyr, som på ena sidan är täckta med guldpartiklar i nanoskala med överraskande egenskaper. "Vi täcker ytan på nanopartiklarna med, till exempel, antikroppar, för att få ett specifikt protein eller kemikalie att fästa vid dem, " förklarar forskaren. "När lösningen som innehåller de målinriktade elementen har införts i kammaren, nanopartiklarna fungerar som molekylfångare." Denna teknik gör det möjligt att isolera målmolekylerna från resten av vätskan.

Men detta är inte den enda rollen som nanopartiklarna spelar. De är också kapabla att koncentrera ljus i nanometerstora volymer runt sin yta som ett resultat av plasmonisk resonans.

I kammaren, strålen behöver inte passera genom hela lösningen. Istället, det skickas direkt till nanopartikeln, som koncentrerar ljuset. Fångad i fällan, målmolekylerna är de enda som är så intensivt exponerade för fotonerna.

Reaktionen mellan molekylerna och de infraröda fotonerna är extremt stark, vilket innebär att de kan upptäckas och observeras mycket exakt. "Denna teknik gör det möjligt för oss att observera molekyler in situ när de reagerar med element i sin naturliga miljö. Detta kan visa sig vara extremt användbart för både medicin och biologi, " konstaterar Dr. Altug.

Används i medicinsk forskning

En annan fördel är att chippet är extremt kompakt och kan kopplas till mikroskop som redan används. "Vi behöver inte stora urvalsstorlekar för att genomföra våra analyser, säger Ronen Adato.

Går framåt, Hatice Altug avser att fortsätta sin forskning med fokus på medicinska tillämpningar. De första testerna har gjorts med vanliga antikroppsmolekyler, och analyserna behöver nu finjusteras. "Jag skulle verkligen vilja arbeta med andra life-science-forskare, sjukhus och biologer. Jag är särskilt intresserad av att använda min metod för att studera sjukdomar, inklusive cancer och neurologiska störningar, för att observera effekten av vissa läkemedel på sjuka celler eller för att upptäcka sjukdomsbiomarkörer, till exempel."