En liten rektangel av rosa glas, ungefär lika stor som ett frimärke, sitter på professor Amy Shens skrivbord. Trots sitt yttre blygsamma utseende, denna lilla rutschkana har potential att revolutionera ett brett spektrum av processer, från att övervaka livsmedelskvaliteten till att diagnostisera sjukdomar.

Sliden är gjord av ett nanoplasmoniskt material - dess yta är belagd med miljontals guld nanostrukturer, var och en bara några miljarddelar av en kvadratmeter stor. Plasmoniska material absorberar och sprider ljus på intressanta sätt, ger dem unika avkänningsegenskaper. Nanoplasmoniska material har uppmärksammats av biologer, apotek, fysiker och materialvetare, med möjliga användningsområden inom en mängd olika områden, såsom biosensing, datalagring, ljusgenerering och solceller.

I flera nya tidningar, Prof. Shen och kollegor vid Micro/Bio/Nanofluidics Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) beskrev deras skapande av ett nytt biosenserande material som kan användas för att övervaka processer i levande celler.

"Ett av de viktigaste målen med nanoplasmonik är att söka efter bättre sätt att övervaka processer i levande celler i realtid, "säger professor Shen. Att fånga sådan information kan avslöja ledtrådar om cellbeteende, men att skapa nanomaterial på vilka celler kan överleva under långa tidsperioder men inte störa de cellulära processerna som mäts är en utmaning, förklarar hon.

Räknar delningsceller

En av teamets nya biosensorer är gjord av ett nanoplasmoniskt material som kan rymma ett stort antal celler på ett enda substrat och övervaka cellproliferation, en grundläggande process som involverar celltillväxt och delning, i realtid. Att se denna process i aktion kan avslöja viktiga insikter om hälsa och funktioner hos celler och vävnader.

Forskare i OIST:s Micro/Bio/Nanofluidics Unit beskrev sensorn i en studie som nyligen publicerats i tidskriften Avancerade biosystem .

Det mest attraktiva med materialet är att det tillåter celler att överleva under långa tidsperioder. "Vanligtvis, när du sätter levande celler på ett nanomaterial, det materialet är giftigt och det dödar cellerna, " säger Dr Nikhil Bhalla, en postdoktor vid OIST och första författare till artikeln. "Dock, använda vårt material, celler överlevde i över sju dagar." Det nanoplasmoniska materialet är också mycket känsligt:​​det kan upptäcka en ökning av celler så små som 16 av 1000 celler.

Materialet ser precis ut som en vanlig glasbit. Dock, ytan är belagd med små nanoplasmoniska svampliknande strukturer, känd som nanosvampar, med stjälkar av kiseldioxid och lock av guld. Tillsammans, dessa bildar en biosensor som kan detektera interaktioner på molekylär nivå.

Biosensorn fungerar genom att nanomsvamplocken används som optiska antenner. När vitt ljus passerar genom den nanoplasmoniska bilden, nanomsvamparna absorberar och sprider en del av ljuset, ändra dess egenskaper. Ljusets absorbans och spridning bestäms av storleken, nanomaterialets form och material och, mer viktigt, det påverkas också av vilket medium som helst i närheten av nanomsvampen, t.ex. celler som har placerats på bilden. Genom att mäta hur ljuset har förändrats när det väl kommer ut genom den andra sidan av rutschkanan, forskarna kan upptäcka och övervaka processer som sker på sensorytan, som celldelning.

"I vanliga fall, du måste lägga till etiketter, såsom färgämnen eller molekyler, till celler, att kunna räkna delande celler, "säger Dr Bhalla." Men med vår metod, nanosvamparna kan känna av dem direkt. "

Uppskalning

Detta arbete bygger på en ny metod, utvecklad av forskare vid Micro/Bio/Nanofluidics Unit vid OIST, för att tillverka nanomushroom biosensorer. Tekniken publicerades i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt i december 2017.

Att producera storskaliga nanoplasmoniska material är utmanande eftersom det är svårt att säkerställa enhetlighet över hela materialytan. Av denna anledning, biosensorer för rutinmässiga kliniska undersökningar, som sjukdomstestning, saknas fortfarande.

Som svar på detta problem, OIST-forskarna utvecklade en ny tryckteknik för att skapa storskaliga biosensorer för nanosvampar. Med deras metod, de kunde utveckla ett material som består av cirka en miljon svampliknande strukturer på ett 2,5 cm gånger 7,5 cm kiseldioxidsubstrat.

"Vår teknik är som att ta en stämpel, täcker den med bläck av biologiska molekyler, och skriva ut på nanoplasmonglaset, " säger Shivani Sathish, en Ph.D. student vid OIST och medförfattare till tidningen. De biologiska molekylerna ökar materialets känslighet, vilket betyder att den kan känna av extremt låga koncentrationer av ämnen, som antikroppar, och därmed potentiellt upptäcka sjukdomar i sina tidigaste stadier.

"Med vår metod, det är möjligt att skapa en mycket känslig biosensor som kan upptäcka även enstaka molekyler, " säger Dr Bhalla, tidningens första författare.

Plasmoniska och nanoplasmoniska sensorer erbjuder viktiga verktyg för många områden, från elektronik till livsmedelsproduktion till medicin. Till exempel, i december 2017, andraårs doktorand Ainash Garifullina från enheten utvecklade ett nytt plasmoniskt material för att övervaka kvaliteten på livsmedelsprodukter under tillverkningsprocessen. Resultaten publicerades i tidskriften Analytiska metoder .

Professor Shen och hennes enhet säger att i framtiden, nanoplasmoniska material kan till och med integreras med ny teknik, såsom trådlösa system i mikrofluidiska enheter, tillåter användare att göra avläsningar på distans och därigenom minimera risken för kontaminering.