Hoe werken vloeibare kristallen als biosensoren voor kanker en pathogenen?

Vloeibare kristallen (VK) bieden een innovatieve benadering voor de detectie van kanker- en pathogeencellen door hun unieke vermogen om oriëntatieveranderingen te ondergaan bij interactie met specifieke biomoleculen. Een treffend voorbeeld hiervan is de toepassing van foliumzuur-geconjugeerde VK-microdruppels die, wanneer ze in contact komen met KB-kankercellen (mouthepidermale carcinoomcellen), een bipolaire configuratie aannemen. Dit in tegenstelling tot de ongewijzigde oriëntatie bij normale cellen. Deze verandering in oriëntatie toont de potentie van vloeibare kristallen als een in vitro detectiemethode voor kankercellen.

De detectie van kankerbiomarkers zoals CA125, een veelgebruikt en grondig onderzocht merker voor epitheliale eierstokkanker, is eveneens gerealiseerd met vloeibare kristal gebaseerde systemen. Een stijging van CA125 in het bloed wijst op diverse maligniteiten, waaronder eierstok-, maag- en borstkanker. Deze systemen vereenvoudigen biomarker-screening en verbeteren de sensitiviteit en specificiteit in vergelijking met conventionele methoden.

Naast kankerdiagnostiek worden vloeibare kristallen ook ingezet bij de detectie van pathogenen. Traditionele methoden zoals ELISA combineren enzymen met antilichamen om een gevoelige en specifieke detectie mogelijk te maken. Vloeibare kristal biosensoren, zoals die ontwikkeld door Khan et al., onderscheiden zich door hun vermogen om DNA-moleculen te detecteren en onderscheid te maken tussen enkelstrengs (ssDNA) en dubbelstrengs DNA (dsDNA). Deze techniek is in staat pathogenen als bacteriën en schimmels te identificeren via veranderingen in de oriëntatie van vloeibare kristalmoleculen aan het interface, veroorzaakt door elektrostatische interacties tussen cationische oppervlakte-actieve stoffen en DNA-probes. Hierdoor verandert de oriëntatie van de vloeibare kristallen visueel van donker naar helder, wat een directe, optische aanwijzing geeft voor aanwezigheid van het doel-DNA.

Het fundamentele principe achter vloeibare kristal biosensoren is het induceren van oriëntatieveranderingen door interacties tussen het doelanalyte en het sensorcomponent. Deze oriëntatieveranderingen resulteren in optische signalen die meetbaar zijn, waarbij het merendeel van de gebruikte vloeibare kristallen bestaat uit 5CB. De toepassingen van deze technologie zijn breed en omvatten het monitoren van glucose, eiwitten, peptiden, biomerkers, geneesmiddelen, antigen-antistof interacties, nucleïnezuren, zware metalen, pH-waarden, vluchtige organische verbindingen (VOCs), gassen, toxische stoffen en stressindicatoren.

De combinatie van vloeibare kristallen met optische systemen, zoals LC-tunebare filters (LCTFs) en ruimtelijke lichtmodulatoren (SLMs), biedt een uitgebreid platform voor medische en biologische toepassingen. LCTFs, waaronder Lyot-filters en holografische polymerendispergeerde vloeibare kristallen (H-PDLC's), bieden selectieve transmissie van lichtgolflengten en kunnen elektrisch worden afgesteld. Dit maakt ze geschikt voor geavanceerde diagnostiek en beeldvormingstechnieken. De H-PDLC's worden gevormd door een laserinterferentiepatroon dat een wisselwerking induceert tussen het polymeer en het vloeibare kristalmateriaal, resulterend in lagen met verschillende orientaties. Dit proces creëert reflectiebanden in het UV-, zichtbaar- en infraroodgebied, die elektrisch afstelbaar zijn.

Ferroelectric liquid crystals (FLC's), zoals VA-DHFLC-structuren, onderscheiden zich door hun intrinsieke polarisatie, lage drempelspanningen en snelle responstijden in de microseconde-range. Dit maakt ze ideaal voor toepassingen die snelle en precieze optische aanpassingen vereisen. Met in-plane switching (IPS) kan een breed spectrum aan golflengten worden gescand en geanalyseerd door de spanning aan te passen, wat verdere verfijning van sensorprestaties mogelijk maakt.

Ruimtelijke lichtmodulatoren gebaseerd op vloeibare kristallen vinden ook toepassing in microscopie en beeldvorming, waarbij zij de mogelijkheid bieden om complexe diffractiepatronen te creëren, faseverschuivingen aan te passen en optische diktes van biologische monsters te meten. Hierdoor wordt een nauwkeurige karakterisering van biologische structuren mogelijk, met potentieel voor diepere inzichten in cellulaire processen en ziektepatologie.

De kracht van vloeibare kristal biosensoren ligt in hun vermogen om met grote gevoeligheid en selectiviteit moleculaire interacties om te zetten in makkelijk waarneembare optische signalen. Dit opent de deur naar snelle, niet-invasieve diagnostiek die de detectie van kanker en infecties kan verbeteren en toegankelijker maken.

Het is van belang te begrijpen dat het succes van vloeibare kristal sensoren niet alleen afhangt van het vloeibare kristalmateriaal zelf, maar ook van de chemische functionalisering van de interface en de gekozen analytemarkers. De optimalisatie van de sensorconfiguratie, inclusief oppervlakte-actieve stoffen en probe-moleculen, is cruciaal voor het verkrijgen van betrouwbare en reproduceerbare resultaten. Daarnaast vereist de interpretatie van optische signalen een gedegen kennis van vloeibare kristal fysica en biochemische interacties om valse positieven of negatieve resultaten te minimaliseren. De integratie van vloeibare kristal biosensoren in praktische diagnostische apparaten vraagt om aandacht voor stabiliteit, herhaalbaarheid en schaalbaarheid, evenals het ontwikkelen van gestandaardiseerde kalibratieprotocollen.

Wat is de rol van chirale nematische vloeistoffen in optische technologieën en biologische toepassingen?

Chirale nematische vloeistoffen, ook wel cholesterische vloeistoffen genoemd, zijn een fascinerende klasse van vloeibare kristallen die door hun zelf-geassembleerde helical structuur en selectieve lichtreflectie eigenschappen veel belangstelling hebben gewekt. Deze vloeistoffen vertonen een spontaane helixstructuur waarin de draaias loodrecht staat op de lokale oriëntatie van de moleculen. In tegenstelling tot de niet-chirale nematische fase, waarin de moleculen slechts een bepaalde oriëntatie in dezelfde richting delen, draaien de moleculen in de chirale nematische fase in opeenvolgende lagen, wat resulteert in een periodiciteit die wordt aangeduid als de "pitch". De pitch is van cruciaal belang voor de eigenschappen van de vloeistof en kan worden beïnvloed door variabelen zoals de chemische omgeving, temperatuur en elektrische velden.

Een ander opvallend kenmerk van deze vloeistoffen is de relatie met de asymmetrie van de moleculen zelf. Chirale moleculen zijn diegene die niet superponeerbaar zijn met hun spiegelbeeld. Deze asymmetrie kan gecreëerd worden door een asymmetrisch koolstofatoom of door chiraliteit in de moleculaire structuur zelf. Dit heeft een grote invloed op de manier waarop het moleculaire systeem zich organiseert, wat bijdraagt aan de unieke optische eigenschappen van de chirale nematische vloeistoffen. Het resultaat is een vloeibare kristalstructuur die optische activiteit vertoont, zoals circulaire dichroïsme en optische rotatie, die beide kunnen worden gemeten om de mate van chiraliteit van het materiaal te bepalen.

De chirale nematische fase wordt beschouwd als een frustrerende mesofase, wat betekent dat het systeem neigt naar een geordende structuur, maar wordt gehinderd door de interacties tussen de moleculen, die een ideale ordening verhinderen. De moleculestructuur in de chirale nematische fase kan worden vergeleken met die in de achirale nematische fase, maar dan in een gedraaide vorm. Dit betekent dat de moleculen lokaal geordend zijn, maar de oriëntatie in de ruimte zich over de lagen van de vloeistof heen draait, wat leidt tot de helixvormige structuur. Dit maakt chirale nematische vloeistoffen bijzonder interessant voor toepassingen in optische technologieën, zoals displaytechnologieën, waar de rotatie van licht beïnvloed kan worden door externe elektrische velden, en in biosensing, waar het vermogen van vloeibare kristallen om te reageren op externe stimuli gebruikt wordt voor het detecteren van biologische signalen.

De toepassingen van chirale nematische vloeistoffen zijn zeer uiteenlopend. In de displaytechnologie kunnen ze worden gebruikt om liquid crystal displays (LCD's) te maken, die zeer efficiënt zijn in het moduleren van licht. Ze kunnen ook dienen als basis voor optische vezelsensoren, fotonische vertraginglijnen en ferroelectrische vloeibare kristal display-systemen (FLCD's). Deze toepassingen maken gebruik van de unieke optische eigenschappen van de vloeistoffen, zoals hun vermogen om licht te reflecteren of te absorberen afhankelijk van de twist van de moleculaire lagen.

Daarnaast is er een breed scala aan biomedische toepassingen van deze materialen. Door hun vermogen om te reageren op specifieke moleculaire veranderingen kunnen chirale nematische vloeistoffen worden ingezet in biosensoren die gericht zijn op het detecteren van specifieke antilichamen of andere biomoleculen. Dit opent mogelijkheden voor medische diagnostiek en het monitoren van gezondheidstoestand door bijvoorbeeld de detectie van pathogenen of ziekte-indicatoren in het bloed of andere lichaamsvloeistoffen. De mogelijkheid om vloeibare kristallen als drug delivery systemen te gebruiken, maakt ze ook interessant voor farmacologische toepassingen. Vloeibare kristallen kunnen worden aangepast om medicijnen gecontroleerd af te geven aan specifieke delen van het lichaam, wat hen tot potentiële kandidaten maakt voor gerichte therapieën.

Het belang van chirale nematische vloeistoffen gaat verder dan hun unieke fysische eigenschappen. Deze vloeistoffen brengen ons dichter bij een beter begrip van de zelforganisatie in levende systemen en bieden nieuwe mogelijkheden voor innovatieve technologische toepassingen. Het gebruik van vloeibare kristallen in zowel biologische als technologische contexten opent de deur naar geavanceerdere, efficiëntere en meer op maat gemaakte systemen die zowel in de geneeskunde als in communicatie- en displaysystemen kunnen worden toegepast.

Het is essentieel voor de lezer te begrijpen dat de interactie tussen moleculaire structuur en de omgevingsomstandigheden een cruciale rol speelt in de prestaties van vloeibare kristallen. De eigenschappen zoals de pitch en de optische rotatie zijn gevoelig voor veranderingen in temperatuur, chemische samenstelling en externe elektrische velden, wat betekent dat de controle over deze variabelen een sleutelrol speelt in het ontwerp van systemen die gebruik maken van vloeibare kristallen. In toepassingen zoals biosensoren of displays kan deze gevoeligheid gebruikt worden om nauwkeurige metingen te verrichten of om visuele informatie weer te geven die afhankelijk is van specifieke lichtomstandigheden.

Hoe de elektrische veldafhankelijkheid en de fasen van Sm C* vloeibare kristallen het gedrag van ferroelectrische en elektro-optische effecten beïnvloeden

In de Sm C*-fase kan de kritieke waarde van het DC-drempelveld (Eth) worden bepaald aan de hand van gemeten gegevens. In de antiferroelectrische (AFE) fase is de waarde van Eth hoog, maar in de buurt van de ferroelectrische (FE) fase daalt Eth drastisch naar nul. Dit fenomeen is essentieel om het gedrag van vloeibare kristallen in verschillende fasen te begrijpen. Zoals te zien is in figuur 3.12, vertoont de spontane polarisatie (Ps) en de kantelhoek (θ₀) een duidelijke temperatuurafhankelijkheid, die kan worden gebruikt om meer inzicht te krijgen in de overgangsfasen van ZLL n/m en ZLL n/* homologen [49].

De temperatuur- en spanningsafhankelijkheid van de spontane polarisatie wordt in figuur 3.13a en 3.13b voor verschillende verbindingen getoond. Het blijkt dat Ps zowel afhankelijk is van temperatuur als van de toegepaste spanning. Een plotselinge stijging van Ps nabij de isotropisatietemperatuur suggereert dat de overgang van IL naar Sm C* een eerste-orde overgang is. De waarde van Ps (zoals te zien in figuur 3.12b) neemt toe met de toename van de spanning. De waargenomen resultaten geven aan dat verbindingen met kortere alkylketens hogere Ps-waarden vertonen bij elke temperatuur onder het Curie-punt. Dit kan worden verklaard door het volume-effect, dat verantwoordelijk is voor de afname van de Ps-waarde bij hogere ketenlengtes.

De electro-optische eigenschappen van lagere molmassa organosiloxane verbindingen in de Sm C*-fase werden bestudeerd door Liao et al. [54]. De chemische structuur van deze verbindingen samen met de fasevolgorde die zij vertonen, wordt weergegeven in Tabel 3.19. Voor de verbindingen 57, 58 en 59 werd de temperatuur- en spanningsafhankelijkheid van de spontane polarisatie geëxamineerd. De resultaten bevestigen dat deze stoffen een sterke afhankelijkheid van zowel temperatuur als spanning vertonen.

Daarnaast werd in de jaren tachtig van de vorige eeuw het electromechanische effect ontdekt in Sm C* mengsels door Jakli en collega’s [55–57]. Dit effect, waarbij een periodieke mechanische trilling van dezelfde frequentie wordt opgewekt door een elektrisch veld, kan alleen worden waargenomen in de ferroelectrische fase. De experimenten in de Sm C* fase werden uitgevoerd met een dunne film van 10 μm dikte, waarvan de bovenste glazen plaat tegen een veer bewoog. Het mechanische effect wordt vaak verward met piezo- of ferroelektrische kristallen, maar er zijn duidelijke verschillen in de fysieke oorsprong van deze effecten. Dit electromechanische effect is bijzonder sterk in de Sm C*-fase, met een veel grotere amplitude dan in de Sm A en Sm I* mesofasen, en het is gevoeliger bij hogere frequenties.

Evenzo vertoont de chiraliteit van de Sm A*-fase, onder invloed van een elektrisch veld, een elektroclinisch effect (ECE), waarbij de moleculaire kanteling direct gekoppeld is aan het toegepaste veld [58, 59]. Dit effect is het gevolg van de chirale symmetrie van de fase, die de vrije rotatie van moleculen beïnvloedt, waardoor een moleculaire kanteling ontstaat wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. Het electroclinic effect is bijzonder interessant omdat het een lineaire relatie vertoont tussen de polarisatie en de geïnduceerde kanteling. Dit gedrag wordt verklaard door een asymmetrie in de vrije energie voor de moleculaire kanteling, die ontstaat door de chirale structuur van de moleculen in de Sm A*-fase. De overgang van Sm A* naar Sm C* wordt gekarakteriseerd door een continue overgang, waarbij de polarizabiliteit (χₑ) divergeert bij de Curie-punt temperatuur Tc.

De mechanismen die ten grondslag liggen aan het elektroclinische effect en het electromechanische effect kunnen in wezen worden beschouwd als voorbeelden van de manier waarop moleculaire structuren in vloeibare kristallen zich gedragen onder de invloed van elektrische velden. De toepassing van elektrische velden op chiraliteit in de Sm A*- en Sm C*-fasen onthult gedetailleerde inzichten in de structurele en dynamische aspecten van vloeibare kristallen.

Naast de kernpunten die in deze sectie worden beschreven, is het belangrijk om te benadrukken dat de elektro-optische en electromechanische effecten een cruciale rol spelen in de ontwikkeling van toepassingen zoals displays, sensoren en actuatoren op basis van vloeibare kristallen. Het begrijpen van de fasen en hun overgangsgedrag is niet alleen fundamenteel voor de wetenschap, maar ook voor de praktische implementatie van vloeibare kristallen in technologieën die de interactie tussen elektrische velden en moleculaire structuren benutten. Verder kan de invloed van temperatuur en spanning op de polarizatie verder worden onderzocht om de stabiliteit en prestaties van vloeibare kristallen in verschillende toepassingen te optimaliseren.

Wat zijn twist-grain boundary (TGB) fasen en hoe beïnvloeden ze de structuur van vloeibare kristallen?

De twist-grain boundary (TGB) fasen zijn al sinds 1988 bekend en hebben de laatste 35 jaar veel wetenschappelijke aandacht getrokken. Deze fasen verschijnen meestal in het temperatuurgebied tussen de N* fase, die een korte-afstand orde vertoont, en een smectische fase (typisch Sm A of Sm C*). Hierdoor vertonen ze eigenschappen die zowel kenmerkend zijn voor de smectische als de N* fasen. Het wordt verwacht dat de TGB fasen zich nabij een N*/Sm A/Sm C* drievoudig punt manifesteren.

Een essentiële voorwaarde voor het optreden van TGB fasen is chirale structuur. De TGB fasen vertonen selectieve reflectie van circulair gepolariseerd licht, terwijl röntgendiffractie-onderzoeken een laagstructuur aanwijzen die typisch is voor smectische fasen. Toch is het onmogelijk om een continue structuur te verkrijgen die zowel het N* directeurveld als de smectische laagstructuur gelijktijdig bevat. De competitie tussen deze twee structurele kenmerken leidt tot gefrustreerde structuren die een regelmatig rooster van korrelgrenzen bevatten, die op hun beurt uit een rooster van schroefdislocaties bestaan.

In de afgelopen jaren zijn verschillende nieuwe TGB fasen voorspeld of experimenteel waargenomen, zoals TGBA, TGBC, TGBC*, TGB2q, MGB (smeltende korrelgrens), NL* (een defectlijnvloeistof), antiferroelectrische kristallen van TGB's en smectische blauwe fasen. Een kort overzicht van deze fasen wordt hieronder gegeven. Een meer gedetailleerde beschrijving kan worden gevonden in verschillende uitgebreide reviews.

Het model van Renn en Lubensky maakt gebruik van een covariante vorm van de de Gennes vrije-energie en toont aan dat de netwerkstructuur van minimale vrije energie bestaat uit een regulier rooster van parallelle twist-grain boundaries, die zijn samengesteld uit regelmatig geplaatste parallelle twist-dislocaties. Dit werd het twist-grain boundary (TGB) stadium genoemd in hun model. In de TGBA fase, zoals voorgesteld door dit model, bestaat de structuur uit smectische platen die worden gescheiden door defectmuren (korrelgrenzen), die op hun beurt uit defectlijnen (twist-dislocaties) bestaan. Binnen deze platen zijn de moleculen geordend in lagen en uniaxiaal uitgelijnd langs de lokale directeur.

Een ander kenmerk van de TGBA fase is dat de afstand tussen de schroefdislocaties (ld) vergelijkbaar is met de dikte van de smectische platen (lb). In de TGBC fase is lb groter dan ld, en de platen zijn ten opzichte van elkaar gekanteld door een hoek Δθ0, wat leidt tot een helixstructuur, waarbij de draaias van de helix h loodrecht staat op de laagnormaal en de spoed p varieert van enkele honderden nanometers tot enkele micrometers. Dit leidt tot de mogelijkheid van een niet-periodieke structuur, wat betekent dat er geen vaste periodiciteit is in de oriëntatie van de platen langs de draaias.

De experimentele bevestiging van de TGBA fase kwam in 1989 van Goodby et al., die de eerste observaties deden in een chiraal homologe reeks van vloeibare kristallen. Röntgendiffractie en textuurstudies toonden aan dat de Sm A* fase zowel smectische laagstructuren als N*-achtige texturen vertoonde. Op basis van deze bevindingen werd de Sm A* fase voorgesteld als de TGBA fase. Later, door Srajer et al., werd deze identificatie verder bevestigd door röntgenonderzoek op geallineerde monsters. Het bewijs voor de TGBA structuur werd verder geleverd door TEM-technieken op 14P1M7-monsters.

Later, in 1991, voorspelden Renn en Lubensky ook twee andere TGB fasen, TGBC en TGBC*, die experimenten in de jaren ’90 zouden bevestigen. De TGBC fase werd voor het eerst waargenomen in een homologe reeks van stoffen, waar het effect van smectische laaghelling ten opzichte van de helixas werd waargenomen. De X-ray studie van de smectische lagen liet zien dat ze gekanteld waren in een bijna gelijke hoek als de directeur van de Sm C fase.

TGB fasen vertonen in de regel geen duidelijke optische of röntgendiffractie-signatuur, wat het waarnemen bemoeilijkt. In eerdere experimentele papers werd de TGBA fase dan ook vaak aangeduid als een "Sm A*" fase. Dit gebrek aan een duidelijke signatuur maakte het bevestigen van de theoretische voorspellingen in de beginfase van onderzoek moeilijk.

De TGB fasen zijn dus een fascinerend onderwerp van studie in de fysica van vloeibare kristallen, met implicaties voor de studie van chaotische en gefrustreerde structuren in materialen met chiraal gedrag. De complexiteit van de TGB fasen komt vooral voort uit de unieke combinatie van smectische en N* eigenschappen, gecombineerd met het effect van schroefdislocaties die de korrelgrenzen van de fasen vormen. Het is van belang dat men zich ervan bewust is dat, ondanks de theoretische voorspellingen, de gedetailleerde en experimentele bevestiging van deze fasen nog altijd een uitdaging vormt vanwege de moeilijkheid om de specifieke structuren te identificeren en te onderscheiden.