Även den minsta molekylen kan berätta en stor historia. Till exempel, Att observera en enda molekyl kan kasta ljus över underliggande biologiska processer i människokroppen. Faktiskt, molekylära avbildningsförfaranden – som är icke-invasiva och smärtfria – används för att diagnostisera och hantera behandlingen av covid-19, cancer, hjärtsjukdom, och andra allvarliga hälsotillstånd.

En av de mer lovande teknikerna för avbildning av en enda molekyl är ytförstärkt Raman-spektroskopi, eller SERS. Genom att fokusera en laserstråle på provet, SERS upptäcker förändringar i molekyler baserat på hur de sprider ljus, och kan identifiera specifika molekyler genom deras unika Raman-spektra:ett slags molekylärt fingeravtryck. En fördel med SERS är att den är oförstörande och kräver minimal provberedning, eftersom det inte kräver tillsatta kemikalier eller modifieringar för att göra mätningar.

I en studie som nyligen publicerades i Avancerade material , ingenjörer från Johns Hopkins Whiting School of Engineering beskriver ett nytt nanomaterial som möjliggör snabb och mycket känslig detektering av en enda molekyl med hjälp av SERS. Deras uppfinning kan bana väg för snabba och mer exakta diagnostiska tester.

För att skapa sitt nya material, kallad DNA-Silicified Template for Raman Optical Beacon eller DNA-STROBE, ett team ledd av Ishan Barman, en docent i maskinteknik, konstruerade optiska kaviteter på bara några få nanometer eller färre. Vid SERS-avbildning, dessa plasmoniska kaviteter "fångar" ljusstrålar genom att omvandla deras elektromagnetiska strålning till elektronvågor. Barman-teamets små plasmoniska nanokaviteter ökar exponentiellt tätheten av denna fångade elektromagnetiska energi, potentiellt möjliggör kvantitativ biomolekylär avbildning vid ultralåga koncentrationer.

"Effektiviteten av SERS-mätningar beror på arkitekturen och reproducerbarheten av sonderna i nanoskala. Om de är framgångsrika utformade och realiserade, våra DNA-STROBE-strukturer erbjuder realtid, enda molekyl, etikettfri optisk avkänning som är nästan omöjlig att uppnå med några befintliga plattformar, sa Barman, tidningens motsvarande författare.

Medförfattare till studien inkluderar Le Liang och Peng Zheng, båda postdoktorer vid Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

Enligt Barman, SERS-mätningar kan erbjuda oöverträffade insikter i nanoskala, vilket fortfarande är en utmanande strävan för konventionella avbildningsmetoder. Intensiteten hos SERS-signalen beror på storleken på nanoskala gapen, känd som "hotspots". Eftersom dessa nanokaviteter begränsar ljusenergi, ju mindre mellanrum, desto högre SERS-signal. Dock, nanokaviteter av denna lilla storlek är extremt svåra (och dyra) att tillverka på ett programmerbart och reproducerbart sätt, han förklarade.

Forskargruppen vände sig till DNA-nanoteknik för att hitta ett svar. Använda DNA som byggnadsställningar, teamet byggde syntetiska nanokaviteter som har den perfekta storleken för att bli hotspots. Men med tanke på DNA:s elastiska natur, speciellt dess benägenhet att vika och böja sig, storleken på de bildade DNA-STROBE-strukturerna kan förändras, potentiellt försvagar SERS-signalen. Således, teamet kapslade in DNA-STROBE-strukturerna med ett skyddande ultratunt kiseldioxidskal för att förhindra sådana fluktuationer.

Studien rapporterade två signifikanta fynd. Först, forskarna visade att de kunde tillverka ultrasmå nanokaviteter med välkontrollerad och stor elektromagnetisk förbättring av SERS-signalen. Andra, deras tillvägagångssätt möjliggör studier av enstaka molekyler även i biologiska prover med höga molekylkoncentrationer - en vägspärr i tidigare forskning.

"Vi var glada över att observera att DNA-STROBE förstärkte Raman-signalen, och det var tillräckligt starkt för att möjliggöra avkänning i realtid och superupplösningsavbildning. Detta kommer säkerligen att öppna nya vägar för användning av SERS-analys, särskilt i avkännings- och bildbehandlingsapplikationer där det inte är önskvärt eller praktiskt att tillsätta kontrastmedel och färgämnen, sa Liang.

Nästa steg, forskarna säger, kommer att vara att utveckla en uppsättning skräddarsydda DNA-STROBE-härledda analysverktyg för en rad applikationer. Till exempel, teamet tror att deras tillvägagångssätt erbjuder en toppmodern plattform för ultrakänslig detektering av cirkulerande cancerbiomarkörer.

"Med lämplig anpassning, DNA-STROBE kan möjliggöra framsteg inom en mängd olika områden, allt från klinisk diagnostik och grundläggande biomedicinsk forskning till miljöavkänning och manipulation av en enda molekyl, ", tillägger Barman.