När ett team av forskare vid University of Cincinnati upptäckte en ny nanostruktur som visade betydligt högre egenskaper för användning i teknik som kan göra det möjligt för läkare att se och förstöra cancerceller, de visste att de var inne på något spännande.

Men strukturen för den nya SERS nanotaggen, som det heter, var så ny att laget – ledd av Laura Sagle, en biträdande professor i kemi, med UC-studenter Debrina Jana, Jie He och Ian Bruzas – var oförstående när det gällde att förstå vad som genererade den lovande datan eller hur man bäst optimerar den.

Ange Zohre Gorunmez.

Fjärdeårs doktoranden krediteras med att ha genomfört nästan tre år av komplexa och detaljerade beräkningar för att bättre förstå den nya nanotaggen. Hon kommer att presentera sina resultat vid American Physical Societys konferens i mars, hölls 14-18 mars i Baltimore.

"Det var beräkningar som ingen på campus hade gjort tidigare, " förklarade Sagle, som fungerar som rådgivare till Gorunmez. "Zohre, huvudsakligen ensam och utan mycket vägledning och hjälp, fick de här beräkningarna igång."

Upptäckten kom 2013 som en del av forskargruppen Sagle Labs arbete med att utveckla nya metoder för att studera och undersöka enstaka molekyler med hjälp av en teknik som kallas ytförstärkt Raman-spektroskopi, eller SERS.

Tekniken riktar sig mot molekyler med hjälp av laser, vilket resulterar i en spridning av ljus vid olika våglängder längs ett spektrum. Eftersom molekylerna producerar svaga signaler, guld- eller silvernanopartiklar används för att förstärka dem, som mäts med en spektrometer för analys.

Processen är mycket känslig och fylld av utmaningar, inklusive svårigheter med reproducerbarhet, signalstabilitet och brist på kvantitativ information.

Teamet tittade på tidigare forskning, som visade större förbättring från molekyler som finns inom ett gap på en nanometer mellan en struktur med en slät metallisk kärna och skal. Men detta ena nanometer gap – 100, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår – är ofta svårt och dyrt att tillverka, resulterar i brist på utbredd användning.

Teamet noterade också annan populär forskning med guld nanostjärnor, en stjärnfruktformad partikel som har möjliggjort större förbättring, men är mycket varierande på grund av att det är svårt att kontrollera antalet och storleken på de taggiga spetsarna.
Inspirerad, teamet bestämde sig för att kombinera de två koncepten och skapa en struktur som består av en slät inre metallisk kärna omgiven av ett taggigt metalliskt yttre skal med ett avstånd på tre nanometer – ett tillvägagångssätt som aldrig tidigare skapats, sa Sagle.

Den nyskapade nanotaggen producerade 10 gånger större signalförbättring jämfört med släta kärnstrukturer, gör det möjligt att upptäcka små mängder organiska molekyler, som DNA, för speciella sjukdomar, Hon sa.

Inte bara det, de taggiga strukturerna är mer effektiva när det gäller att generera värme, användbar för att förstöra cancerceller, och erbjuda en ökad yta som kan ta emot fler läkemedel för att leverera en större riktad sprängning till sjuka celler, sa Sagle.

"Detta låter dig rikta in dig på, avbilda och släppa droger allt med en enhet, " hon förklarade.

Även om upptäckten i sig visade sig vara ny, Sagle visste att lagets lovande nanotagg behövde analyseras ytterligare, förstått och modellerat innan det kunde användas i biologiska tillämpningar. Det var där Gorunmez kom in.

Under ledning av Thomas Beck, professor i kemi, Gorunmez lärde sig ny kod och programmering för att beräkna de komplicerade uppgifterna. Hennes bidrag visade sig vara ovärderliga, sa Sagle, ger henne en plats som medförfattare på tidningen som beskriver upptäckten.

"Med Zohres beräkningar, det var ett mycket bättre papper som visade att vi gjorde något nytt, det visade bättre egenskaper och vi förstår till viss del varför, " Hon sa."

Gorunmez sa att även om arbetet visade sig vara utmanande, löftet om vad data innehåller för användning i biohälsotillämpningar drev hennes strävan att hålla ut.

"Det är nytt. " Hon sa.