Forskare har gjort en banbrytande upptäckt när det gäller att identifiera världens känsligaste nanopartikel och mäta den på avstånd med hjälp av ljus. Dessa superljusa, fotostabila och bakgrundsfria nanokristaller möjliggör ett nytt tillvägagångssätt för mycket avancerad avkänningsteknik som använder optiska fibrer.

Denna upptäckt, av ett team av forskare från Macquarie University, University of Adelaide, och Peking University, öppnar vägen för snabb lokalisering och mätning av celler i en levande miljö på nanoskala, såsom förändringar av en enda levande cell i människokroppen som svar på kemiska signaler.

Publicerad i Naturens nanoteknik i dag, forskningen beskriver ett nytt tillvägagångssätt för avancerad avkänning som har underlättats genom att sammanföra en specifik form av nanokristall, eller "SuperDot" med en speciell sorts optisk fiber som gör att ljus kan interagera med små (nanoskala) volymer av vätska.

"Ända tills nu, att mäta en enda nanopartikel skulle ha krävt att den placerades i ett mycket skrymmande och dyrt mikroskop, " säger professor Tanya Monro, Direktör för University of Adelaides Institute for Photonics and Advanced Sensing (IPAS) och ARC Australian Laureate Fellow. "För första gången, vi har kunnat detektera en enda nanopartikel i ena änden av en optisk fiber från den andra änden. Det öppnar upp alla möjliga möjligheter för avkänning."

"Med hjälp av optiska fibrer kan vi ta oss till många ställen som inuti den levande mänskliga hjärnan, bredvid ett utvecklande embryo, eller i en artär? platser som är otillgängliga för konventionella mätverktyg.

"Detta framsteg banar i slutändan vägen för genombrott inom medicinsk behandling. Till exempel, att mäta en cells reaktion i realtid på ett cancerläkemedel innebär att läkare vid tidpunkten för behandlingen kan berätta om en person svarar på behandlingen eller inte."

Prestanda för avkänning på en molekylär nivå hade tidigare begränsats av både otillräcklig signalstyrka och störningar från bakgrundsbrus. Den speciella optiska fibern som konstruerats vid IPAS visade sig också användbar för att förstå egenskaperna hos nanopartiklar. "Materialforskare har ställts inför en enorm utmaning när det gäller att öka ljusstyrkan hos nanokristaller, " säger Dr Jin, ARC Fellow vid Macquarie University's Advanced Cytometry Laboratories. "Med hjälp av dessa optiska fibrer, dock, vi har fått oöverträffad insikt i ljusutsläppen. Nu, tusentals sändare kan integreras i en enda SuperDot – vilket skapar en mycket ljusare, och lättare detekterbar nanokristall."

Under infraröd belysning, dessa SuperDots producerar selektivt ljusblått, rött och infrarött ljus, med en svindlande tusen gånger mer känslighet än befintliga material. "Varken glaset i den optiska fibern eller andra biologiska bakgrundsmolekyler svarar på infrarött, så det tog bort bakgrundssignalproblemet. Genom att spännande dessa SuperDots kunde vi sänka detektionsgränsen till den ultimata nivån – en enda nanopartikel, säger Jin.

"Den tvärvetenskapliga forskningen från flera institutioner har banat väg för denna innovativa upptäckt, säger Jin, "med gränssnittet av experter på nanomaterial, fotonikteknik, och biomolekylära gränser."

"Dessa gemensamma ansträngningar kommer i slutändan att gynna patienter runt om i världen - till exempel, våra branschpartners Minomic International Ltd och Patrys Ltd utvecklar användningsområden för SuperDots™ i cancerdiagnostiksatser, upptäcker otroligt låga antal biomarkörer inom tillstånd som prostatacancer och multipelt myelom." Macquarie söker nu aktivt andra industriella partners med kapacitet att gemensamt utveckla lösningar utanför dessa områden.