L'image de gauche (C) montre une imagerie limitée par la diffraction qui est trop floue pour capturer les points chauds plasmoniques nécessaires pour effectuer une analyse SERS à molécule unique. Sur la droite (D) est l'imagerie en super-résolution des mêmes points chauds plasmoniques en utilisant DNA-STROBE, ce qui est suffisamment clair pour permettre l'analyse SERS d'une seule molécule. Crédit :Université Johns Hopkins
Même la plus petite molécule peut raconter une grande histoire. Par exemple, l'observation d'une seule molécule peut éclairer les processus biologiques sous-jacents du corps humain. En réalité, les procédures d'imagerie moléculaire - qui sont non invasives et indolores - sont utilisées pour diagnostiquer et gérer le traitement du COVID-19, cancer, cardiopathie, et d'autres problèmes de santé graves.
L'une des techniques les plus prometteuses pour l'imagerie d'une molécule unique est la spectroscopie Raman à surface améliorée, ou SERS. En focalisant un faisceau laser sur l'échantillon, SERS détecte les changements dans les molécules en fonction de la façon dont elles diffusent la lumière, et peuvent identifier des molécules spécifiques grâce à leur spectre Raman unique :une sorte d'empreinte moléculaire. Un avantage de SERS est qu'il est non destructif et nécessite une préparation d'échantillon minimale, car il ne nécessite pas de produits chimiques ajoutés ou de modifications pour prendre des mesures.
Dans une étude publiée récemment dans Matériaux avancés , Les ingénieurs de la Johns Hopkins Whiting School of Engineering décrivent un nouveau nanomatériau qui permet une détection rapide et très sensible d'une seule molécule à l'aide de SERS. Leur invention pourrait ouvrir la voie à des tests de diagnostic rapides et plus précis.
Pour créer leur nouveau matériel, appelé DNA-Silicified Template for Raman Optical Beacon ou DNA-STROBE, une équipe dirigée par Ishan Barman, professeur agrégé de génie mécanique, cavités optiques conçues de seulement quelques nanomètres ou moins. En imagerie SERS, ces cavités plasmoniques « piègent » les faisceaux lumineux en convertissant leur rayonnement électromagnétique en ondes électroniques. Les minuscules nanocavités plasmoniques de l'équipe Barman augmentent de façon exponentielle la densité de cette énergie électromagnétique piégée, permettant potentiellement une imagerie biomoléculaire quantitative à des concentrations ultra-faibles.
"L'efficacité des mesures SERS dépend de l'architecture et de la reproductibilité des sondes nanométriques. Si elles sont conçues et réalisées avec succès, nos structures DNA-STROBE offrent en temps réel, molécule unique, une détection optique sans étiquette qui est presque impossible à réaliser avec n'importe quelle plate-forme existante, " dit Barman, l'auteur correspondant de l'article.
Les co-auteurs de l'étude incluent Le Liang et Peng Zheng, tous deux boursiers postdoctoraux à la Johns Hopkins Whiting School of Engineering.
Selon Barman, Les mesures SERS peuvent offrir des informations sans précédent à l'échelle nanométrique, qui reste une entreprise difficile pour les méthodes d'imagerie conventionnelles. L'intensité du signal SERS dépend de la taille des lacunes nanométriques, connu sous le nom de « points chauds ». Parce que ces nanocavités confinent l'énergie lumineuse, plus les écarts sont petits, plus le signal SERS est élevé. Cependant, des nanocavités de cette petite taille sont extrêmement difficiles (et coûteuses) à fabriquer de manière programmable et reproductible, il expliqua.
L'équipe de recherche s'est tournée vers la nanotechnologie de l'ADN pour trouver une réponse. En utilisant l'ADN comme échafaudage, l'équipe a construit des nanocavités synthétiques de la taille idéale pour devenir des points chauds. Mais étant donné la nature élastique de l'ADN, surtout sa propension à se plier et à se plier, la taille des structures DNA-STROBE formées pourrait changer, affaiblissant potentiellement le signal SERS. Ainsi, l'équipe a encapsulé les structures DNA-STROBE avec une coque de silice ultrafine protectrice pour empêcher de telles fluctuations.
L'étude a rapporté deux résultats importants. D'abord, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient fabriquer des nanocavités ultra-petites avec une amélioration électromagnétique bien contrôlée et importante du signal SERS. Seconde, leur approche permet des études sur une seule molécule même dans des échantillons biologiques avec des concentrations élevées de molécules, un obstacle à la recherche antérieure.
"Nous étions ravis d'observer que DNA-STROBE a amélioré le signal Raman, et il était suffisamment puissant pour permettre une détection en temps réel et une imagerie en super-résolution. Cela ouvrira certainement de nouvelles voies pour l'utilisation de l'analyse SERS, en particulier dans les applications de détection et d'imagerie où l'ajout d'agents de contraste et de colorants n'est pas souhaitable ou pratique, " dit Liang.
L'étape suivante, disent les chercheurs, sera de développer un ensemble d'outils analytiques personnalisés dérivés de DNA-STROBE pour une gamme d'applications. Par exemple, l'équipe pense que leur approche offre une plate-forme de pointe pour la détection ultrasensible des biomarqueurs du cancer en circulation.
"Avec une personnalisation appropriée, le DNA-STROBE pourrait permettre des progrès dans une grande variété de domaines allant du diagnostic clinique et de la recherche biomédicale fondamentale à la détection environnementale et à la manipulation de molécules uniques, " ajoute Barman.
