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Modeling-aided design of a ternary quantum dot-based platform for multiplexed cell analysis

English title Modeling-aided design of a ternary quantum dot-based platform for multiplexed cell analysis
Applicant Dittrich Petra
Number 177562
Funding scheme ERA.Net RUS Plus
Research institution Computational Systems Biology Department of Biosystems, D-BSSE ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.10.2018 - 30.09.2021
Approved amount 188'950.00
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Keywords (7)

Cadmium-free ternary quantum dots; microfluidics; polymer beads; flow cytometry; mulitplexed analysis; lifetime barcoding; FRET

Lay Summary (German)

Lead
Mikro- und Nanopartikel werden in vielen analytischen Verfahren routinemässig eingesetzt. Sie dienen als Träger von Bindungspartnern, z.B. Antikörpern, an denen sich Analyten anlagern. Gleichzeitig können sie durch ihre optischen Eigenschaften wie Fluoreszenzintensität oder Farbe mit hoher Sensitivität nachgewiesen werden. Partikel mit geringfügig unterschiedlichen optischen Eigenschaften, die verschiedene Analyten binden, ermöglichen den gleichzeitigen Nachweis mehrerer Analyten in Mischungen. Diese sogenannten Multiplexingverfahren sind zurzeit allerdings durch die Anzahl optisch unterscheidbarer Partikel begrenzt, was durch die Verwendung von sogenannten Quantenpunkte (Quantum Dots, QDs) verbessert werden kann.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Forschungsprojektes
Unser Ziel ist die Evaluierung neuartiger Cadmium-freier QDs für biologische und diagnostische Anwendungen. Mit unseren Partnerinstituten in Berlin, Deutschland (Bundesanstalt für Materialforschung) und Sankt Petersburg, Russland (ITMO Universität) werden wir die Prozesskette von der Herstellung, Modellierung, Charakterisierung und Funktionalisierung entwickeln, die uns erlaubt, spezifische Nano- und Mikropartikel mit kontrollierten Mischungen an QDs zu erzeugen, so dass jedes Partikel einen spezifischen Barcode enthält. Wir werden die Partikel an repräsentative Anwendungen in diagnostischen und zell-analytischen Multiplexverfahren testen. So hoffen wir nicht nur, verbesserte optische Signale – also Sensitivitäten - zu erhalten, sondern auch verbesserte Detektionsmöglichkeiten zu entwickeln.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes

Unser Projekt trägt zu einem verbesserten Verständnis zur Herstellung und Simulierung von Quantenpunkten bei und zeigt gleichzeitig, wie diese direkt wichtige bioanalytische und diagnostische Verfahren verbessern. Die Wahl Cadmium-freier Materialien ist ein Beitrag zur sicheren Handhabung und Minimierung von Umweltbelastungen.

Direct link to Lay Summary Last update: 18.05.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner



Corporate bodies

Name Address
ITMO University ITMO University Birzhevaya Linia, 14 199034 RU-St. Petersburg
Biophotonics Division 1.10 Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) Biophotonics Division 1.10 Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) Richard-Willstätter-Strasse 11 12489 DE-Berlin

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
167123 Microfluidic device for ultrarapid phenotypic susceptibility testing of pathogenic microbes 01.04.2017 NRP 72 Antimicrobial Resistance
177079 Confocal Microscope with spectral detection, FLIM and laser ablation 01.12.2017 R'EQUIP
198231 Large-chamber high-resolution field-emission scanning electron microscope and focused ion beam system 01.06.2021 R'EQUIP

Abstract

Fast and highly sensitive detection of an ever increasing number of analytes in parallel is of great importance for life sciences. To address these challenges, we will develop a versatile platform of differently sized particles based on the modeling aided design of cadmium-free ultrabright ternary semiconductor quantum dots (t-QDs) like Ag-In-S (AIS) and Cu-In-S (CIS) QDs with varying elemental composition and inorganic passivation shells for precise control of the photoluminescence (PL) in the visible and near infrared for multiplexed analysis of single cell lysates and pathogens in the color, intensity, and lifetime (LT) domain. These t-QDs, which show relatively broad emission bands and long LTs of 100-300 ns, will be used for i.) color and LT-encoding of micrometer-sized polymer beads, subsequently surface-functionalized with target-specific bioligands and ii.) (time-resolved, TR) fluorescence resonance energy transfer (FRET) assays, with one t-QD acting as FRET donor for up three spectrally distinguishable organic dyes employed as labels of different antibodies. t-QD design will involve modeling of electronic energy structures of AIS and CIS QDs as well as optimum chemical composition and shell structures. FRET efficiencies will be modeled with e.g., density functional and kp-perturbation theory. Pursued detection schemes for representative biomarkers from cell lysates and pathogens will include a microfluidic device, a miniaturized flow cytometer (FCM), and a novel LT FCM, discriminating beads by their LT codes and quantifying dye-labeled bead-bound biomolecules in the intensity domain in a separate detection channel. The outcome of the project will be a unique detection technology for life sciences and a new interdisciplinary network of scientists in Russia, Switzerland, and Germany involving knowledge transfer, e.g., modeling from Russia to EU and microfluidic technology to Russia and exchange of young scientists.
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