Слайд изготовлен из «наноплазмонного» материала — его поверхность покрыта миллионами золотых наноструктур, каждая размером всего в несколько миллиардных долей квадратного метра. Плазмонные материалы интересным образом поглощают и рассеивают свет, придавая им уникальные чувствительные свойства. Наноплазмонные материалы привлекли внимание биологов, химиков, физиков и ученых-материаловедов с возможным использованием в самых разных областях, таких как биосенсор, хранение данных, генерация света и солнечные элементы.
В нескольких недавних статьях профессор Шен и его коллеги из подразделения Micro / Bio / Nanofluidics в Окинавском институте науки и технологий (OIST) описали создание нового биосенсорного материала, который можно использовать для мониторинга процессов в живых клетках.«Одна из основных целей наноплазмоники — поиск лучших способов мониторинга процессов в живых клетках в реальном времени», — говорит профессор Шен. Сбор такой информации может дать ключ к разгадке поведения клеток, но создание наноматериалов, на которых клетки могут выжить в течение длительных периодов времени, но не мешать измеряемым клеточным процессам, является сложной задачей, объясняет она.Подсчет делящихся клеток
Один из новых биосенсоров команды сделан из наноплазмонного материала, который способен размещать большое количество клеток на одном субстрате и контролировать пролиферацию клеток — фундаментальный процесс, связанный с ростом и делением клеток, в режиме реального времени. Наблюдение за этим процессом в действии может дать важные сведения о здоровье и функциях клеток и тканей.
Исследователи из подразделения Micro / Bio / Nanofluidics OIST описали датчик в исследовании, недавно опубликованном в журнале Advanced Biosystems.
Самая привлекательная особенность материала заключается в том, что он позволяет клеткам выживать в течение длительного периода времени. «Обычно, когда вы помещаете живые клетки на наноматериал, этот материал токсичен и убивает клетки», — говорит доктор Нихил Бхалла, научный сотрудник OIST и первый автор статьи. «Однако, используя наш материал, клетки выжили более семи дней». Наноплазмонный материал также очень чувствителен: он может обнаруживать увеличение клеток до 16 на 1000 клеток.
Материал выглядит как обычное стекло. Однако поверхность покрыта крошечными наноплазмонными грибовидными структурами, известными как наногрибы, со стеблями из диоксида кремния и крышками из золота. Вместе они образуют биосенсор, способный обнаруживать взаимодействия на молекулярном уровне.
Биосенсор работает за счет использования колпачков из наногрибов в качестве оптических антенн. Когда белый свет проходит через наноплазмонное предметное стекло, наногрибы поглощают и рассеивают часть света, изменяя его свойства. Поглощение и рассеяние света определяется размером, формой и материалом наноматериала, и, что более важно, на него также влияет любая среда в непосредственной близости от наногриба, например клетки, помещенные на предметное стекло. Измеряя, как изменился свет, когда он выходит через другую сторону предметного стекла, исследователи могут обнаруживать и отслеживать процессы, происходящие на поверхности сенсора, такие как деление клеток.
«Обычно вы должны добавлять к клеткам метки, такие как красители или молекулы, чтобы иметь возможность подсчитывать делящиеся клетки», — говорит д-р Бхалла. «Однако с помощью нашего метода наногрибки могут чувствовать их напрямую».Увеличение масштабаЭта работа основана на новом методе, разработанном учеными из подразделения Micro / Bio / Nanofluidics в OIST, для изготовления биосенсоров на основе наногрибов.
Методика была опубликована в журнале ACS Applied Materials and Interfaces в декабре 2017 года.Производство крупномасштабных наноплазмонных материалов является сложной задачей, поскольку трудно обеспечить однородность по всей поверхности материала. По этой причине до сих пор отсутствуют биосенсоры для обычных клинических обследований, таких как тестирование на заболевание.В ответ на эту проблему исследователи OIST разработали новую технику печати для создания крупномасштабных биосенсоров на основе наногрибов.
С помощью своего метода они смогли разработать материал, состоящий примерно из миллиона грибовидных структур на подложке из диоксида кремния размером 2,5 на 7,5 см.«Наша техника похожа на снятие штампа, покрытие его чернилами из биологических молекул и печать на наноплазмонном слайде», — говорит Шивани Сатиш, аспирант OIST и соавтор статьи.
Биологические молекулы повышают чувствительность материала, что означает, что он может обнаруживать чрезвычайно низкие концентрации веществ, таких как антитела, и, таким образом, потенциально обнаруживать заболевания на самых ранних стадиях.«Используя наш метод, можно создать высокочувствительный биосенсор, который может обнаруживать даже отдельные молекулы», — говорит доктор Бхалла, первый автор статьи.
Плазмонные и наноплазмонные датчики предлагают важные инструменты для многих областей, от электроники до производства продуктов питания и медицины. Например, в декабре 2017 года аспирантка 2 курса Айнаш Гарифуллина из Отделения разработала новый плазмонный материал для контроля качества пищевых продуктов в процессе производства.
Результаты опубликованы в журнале Analytical Methods.Профессор Шен и ее подразделение говорят, что в будущем наноплазмонные материалы могут быть даже интегрированы с новыми технологиями, такими как беспроводные системы в микрофлюидных устройствах, что позволит пользователям снимать показания удаленно и тем самым минимизировать риск загрязнения.