Квантовая нанофотоника повышает чувствительность биомедицинских микрочипов

Ученые НИЯУ МИФИ совместно с коллегами из Сеченовского Университета и Реймского университета Шампань-Арденны нашли инновационный способ повысить чувствительность биомедицинских микрочипов благодаря использованию так называемых квантовых точек - полупроводниковых нанокристалов, обладающих свойством люминесценции под влиянием оптического излучения.

Руководитель центра "Нано-Фотон" Игорь Набиев

Полупроводник или краситель!

В современной высокотехнологической медицине  используются чипы на основе флуорофоров -  флуоресцентных химических красителей, способных переизлучать свет при световом возбуждении.  Флуорофоры в биомедицинских чипах применяются для визуализации и количественного анализа биомолекул (белков, ДНК, РНК), их взаимодействий и процессов в реальном времени. Они позволяют детектировать целевые аналиты с высокой чувствительностью и специфичностью. Однако современная биофотоника сталкивается с фундаментальным ограничением: чувствительность флуоресцентного анализа определяется не только яркостью метки, но и тем, сколько фотонов удается зарегистрировать до потери флуорофором способности излучать свет. Для традиционных органических красителей время их работы ограничивается периодом фотообесцвечивания — необратимой фотохимической деградацией молекул под действием возбуждающего излучения.

Исследователи НИЯУ МИФИ предложили использовать для высокочувствительного оптического считывания биомедицинских микрочипов не флуорофоры, а полупроводниковые нанокристаллы В качестве нанофотонных меток использовали так называемые квантовые точки QD565 (конкретный состав и структура QD565 могут варьироваться, но часто речь идёт о ядре из одного полупроводника, например, CdSe, и оболочке из другого материала, например, ZnS). Квантовые точки этого типа обладают максимумом люминесценции на частоте 565 нм. В ходе проведенных экспериментов их сравнивали с органическим красителем DyLight550.

Для поставленного эксперимента было важно, что квантовые точки обладают широким спектром поглощения, узкой полосой люминесценции и высокой фотостабильностью. Это позволяет оптимизировать возбуждение и регистрацию излучения и существенно увеличить время накопления сигнала. Такое сочетание свойств делает квантовые точки перспективной элементной базой оптических квантовых наносенсоров нового поколения.

Инженер-исследователь центра "Нано-Фотон!" Евгения Герасимович

Не только яркость, но и число зарегистрированных фотонов

Эксперименты показали, что при переходе от возбуждения на 532 нм, используемого стандартным флуоресцентным сканером, к возбуждению вблизи 398 нм интенсивность сигнала от квантовой точки QD565 возрастала примерно в 2,2 раза.

Однако принципиальным результатом стала высокая временная стабильность сигнала. При длительном лазерном облучении флуоресценция органического красителя быстро снижалась вследствие фотовыцветания, тогда как люминесценция квантовых точек оставалась стабильной даже после 30 минут лазерного воздействия. В результате интегральный накопленный сигнал квантовых точек оказался более чем в десять раз выше, чем у органического флуорофора.

Для фотообесцвечивающегося красителя увеличение времени измерения быстро перестает давать выигрыш. Фотостабильные квантовые точки позволяют значительно увеличить время накопления и тем самым регистрировать слабые сигналы. Этот принцип представляет интерес для создания сверхчувствительных оптических сенсорных платформ.

Младший научный сотрудник центра "Нано-Фотон" Александр Кныш

От квантового нанокристалла к биомедицинскому сенсору

В качестве модельной системы ученые использовали мультиплексные аллергочипы. На их поверхности иммобилизованы различные аллергены, связывающие специфические иммуноглобулины E (IgE) из сыворотки крови. Образовавшиеся комплексы выявляются с помощью флуоресцентных зондов, что позволяет одновременно исследовать реакцию образца на десятки аллергенов.

Высокая фотостабильность квантовых точек особенно важна при малой концентрации определяемого вещества, когда мгновенный сигнал становится сопоставимым с фоном. Возможность увеличивать время регистрации превращает фотостабильность из свойства наноматериала в физический инструмент повышения аналитической чувствительности.

«Обычно, говоря о преимуществах квантовых точек как флуоресцентных меток, прежде всего обсуждают их яркость. Наш результат показывает, что не менее важно другое фундаментальное свойство — фотостабильность. Если нанокристалл продолжает излучать там, где органический краситель уже фотодеградировал, мы можем существенно увеличить время измерения и накопить гораздо больше полезного сигнала. Фактически речь идет о переходе от сравнения мгновенной яркости двух меток к сравнению полного числа фотонов, которое удается зарегистрировать», — поясняют основные исполнители работы, молодые исследователи  Научного центра наноинженерии фотонных материалов для биомедицины и оптоэлектроники НИЯУ МИФИ  «Нано-Фотон» Александр Кныш и Евгения Герасимович. 

Квантовая биотехнология: от физики к диагностике

Работа показывает, как фундаментальные свойства квантово-размерных систем могут быть преобразованы в практически измеримый выигрыш биомедицинского сенсора. В этом смысле исследование находится на пересечении квантовой нанофотоники, сенсорики и квантовой биотехнологии.

«Для нас аллергочип — не только конкретное диагностическое приложение. Это экспериментальная платформа, позволяющая количественно проверить, насколько фундаментальные фотофизические свойства квантовых нанокристаллов превращаются в реальный выигрыш сенсорной системы. В перспективе на таких междисциплинарных границах могут возникнуть новые классы квантовых оптических биосенсоров», — отмечает руководитель Научного центра Нано-Фотон НИЯУ МИФИ, профессор Игорь Набиев.

Исследование объединило два проекта РНФ. В НИЯУ МИФИ в рамках проекта «ОнкоСЕНС» развиваются инновационные фотонные наноматериалы и высокочувствительные оптические квантовые технологии, а в Сеченовском Университете проект «АллергочипРФ» развивает технологию мультиплексной аллергодиагностики. Объединение компетенций позволило реализовать переход от создания квантового материала до реализации его биомедицинской функции.

Следующий этап — создание системы регистрации, специально оптимизированной под спектральные свойства квантовых точек, а также оптимизация условий анализа и обработки слабых сигналов. В перспективе принцип сочетания квантово-размерных оптических свойств, высокой фотостабильности и длительного накопления сигнала может использоваться не только в аллергодиагностике, но и в других высокочувствительных биосенсорных платформах.

Работа выполнена учеными НИЯУ МИФИ, Сеченовского Университета и Реймского университета Шампань — Арденны при поддержке Российского научного фонда. Статья “Quantum Dot Bioconjugates Enable Order(s)-of-Magnitude Enhancement of Immunoglobulin E Detection Sensitivity” опубликована в журнале ACS Omega.