Forskare som arbetar för att främja avbildning som är användbar för medicin och säkerhet utnyttjar samma fenomen bakom den kvardröjande "spökbilden" som dök upp på gamla tv-skärmar.
Ett team av forskare från Purdue University och Macquarie University i Sydney har skapat ett sätt att kontrollera hur lång tid ljuset från en självlysande nanokristall dröjer sig kvar, lägga till en ny dimension av tid till färg och ljusstyrka i optisk detekteringsteknik.
Detektering baserat på ljusets livslängd såväl som dess specifika färg, eller våglängd, ökar exponentiellt antalet olika kombinationer som kan skapas och användas som unika signaturer, eller taggar, för biomedicinska skärmar. Skärmar baserade på denna nya teknologi kan identifiera tusentals olika målmolekyler samtidigt, vida överskrider de nuvarande gränserna för sådana skärmar till ungefär 20 olika molekyler.
"Dessa nanokristaller kan bilda kombinationskoder, som streckkoder, att bilda ett stort bibliotek av särskiljbara molekylära prober, som kan användas för komplex diagnostik, sa Dayong Jin, professorn i fotonik vid Macquarie som ledde forskningen. "De skulle kunna användas för screeningtest som snabbare och mer exakt kan identifiera orsaken till infektionen, kvarstår cancer i ett tidigt skede och lokalisera de specifika molekylära målen för riktade läkemedelsterapier."
Dessutom, ljus som emitteras av de nya nanokristallerna varar långt längre än det som förekommer naturligt i biologiska system, kallas autofluorescens. Denna skillnad i timing skiljer tydligt signalen från bakgrundsbrus, sa J. Paul Robinson, professorn i cytomik vid Purdue's College of Veterinary Medicine och professor vid Purdues Weldon School of Biomedical Engineering som hjälpte till att leda studien under de senaste fyra åren.
"Fotonerna som emitteras av dessa nanokristaller varar 1, 000 gånger längre än de fotoner som emitteras av biologiska system som orsakar bakgrundsljud, sa Robinson, som också är chef för Purdue Cytometry Laboratories. "Nanokristallfotonerna finns kvar, precis som fotoner som skapade "spökbilderna" på gamla tv-skärmar som skulle dröja kvar efter att du stängt av apparaten. Ett liknande fenomen händer i dessa nanokristaller. Vi kan fånga denna signal efter att de andra har blivit mörka och få otrolig upplösning."
Teamets arbete beskrivs i ett papper som kommer att publiceras i nästa nummer av Naturfotonik och är för närvarande tillgänglig online. Jin ledde designen och tillverkningen av nanopartiklarna, som forskarna döpte till t-Dots. Robinson ledde konceptutvecklingen och den biologiska testningen av detektionstekniken.
Robinsons forskning fokuserar på flödescytometri, analys av celler som finns i en vätska som strömmar förbi en laserstråle. Forskargruppen byggde ett tidsupplöst scanningscytometrisystem som kunde utvärdera livslängden för det emitterade ljuset samt färga och fånga τ-Dot-signalerna.
"Partiklar som innehåller dessa τ-punkter kan enkelt skräddarsys för att binda olika antikroppar, "Sade Robinson. "Ett litet och bärbart system kan skapas för att söka efter flera patogener samtidigt i drycker eller mat."
Forskargruppen har framgångsrikt lagrat nanokristallerna med en specifik sekvens av livstider inom individuella τ-Dots för att skapa unika signaturer och framgångsrikt band ett protein till τ-Dots så att de kan söka upp och binda till Giardia lamblia, han sa. Robinson planerar sedan att förfina designen av flödescytometriinstrument som kan läsa τ-Dot-signaturerna och att utforska de biomedicinska tillämpningarna av nya detektionsverktyg.
"Flödescytometri är ett diagnostiskt verktyg som används i en mängd olika tillämpningar från hälsovård till hemlandsäkerhet, ", sa Robinson. "Den kan analysera blod och urin för att diagnostisera sjukdom, eller kan analysera ett prov taget från en yta eller luften blandad med vatten för att upptäcka livsmedelsburna patogener eller kemiska ämnen. Med τ-Dot 'nano-taggar, ' vi har förmågan att screena efter många mål samtidigt, och bara en liten volym prov kommer att behövas för att samla in en stor mängd information på mycket kort tid."
Nanokristallerna är små kluster av natrium, yttrium- och fluoridjoner med tillsatta spårmängder av joner av ytterbium och det blåemitterande sällsynta jordartsmetallelementet thulium. Ytterbiumjonen fungerar som en utlösare till reaktionen som styr thuliumfluorescensen, och forskarna kontrollerade hur länge detta ljus sänds ut genom att variera avståndet mellan de två.
När en laser träffar en nanokristall utlöser den en reaktion som leder till emission av en foton vid en synlig våglängd, eller en explosion av synligt ljus.
τ-punkterna kan också användas för att skapa osynliga och nästan omöjliga att förfalska märken på dokument, föremål eller valuta som en åtgärd mot förfalskning, sa Yiqing Lu, en senior Macquarie University Research Fellow i fotonik.
"Genom att applicera τ-punkter på vilken yta som helst, vi kan lämna ett hemligt meddelande eller märke på vilken produkt som helst, som endast kommer att avslöjas av en specialdesignad skanner, ", sa Lu. "Detta har en enorm potential för att bekräfta äktheten av alla produkter, från farmaceutiska läkemedel till medicinska kurirförnödenheter."
Forskarteamet på Macquarie undersöker denna applikation såväl som möjligheten att lägga τ-punkterna i lager för att skapa datalagring med högre densitet, han sa.
