Gennembrud i fotoniske biosensorer kan føre til superpræcis diagnostik og detektorer

Universitetsprofessor i anvendt fysik Stephen Arnold og hans team ved New York University Tandon School of Engineering har fundet en opdagelse, der kan føre til Star Trek-lignende biosensorer, der er i stand til at markere den barest tilstedeværelse i blod af en bestemt virus eller antistof, eller proteinmarkør for en specifik kræft; eller opsnuse luftbårne kemiske krigsførelsesmidler, mens de stadig er langt under giftige niveauer.

Opdagelsen følger mange års banebrydende arbejde af Arnold, som i 1995 opdagede, at en optisk fiber kunne begejstre det, han kaldte Whispering Gallery Mode (WGM) i polymermikroperler, der er mindre end en tredjedel af et menneskehårs diameter. Yderligere opdagelser og patenter førte til WGM -biosensorer, der er i stand til at måle massen af ​​vira, proteiner og andre nanopartikler ved at sende dem ind i rumfartøjslignende kredsløb omkring mikroperlen, takket være en fotonisk "traktorstråle" forårsaget af resonanslyset. Arnold og samarbejdspartnere udtænkte derefter en måde at gøre disse WGM-biosensorer følsomme nok til at identificere selv de mindste individuelle biopartikler fra RNA-viruset MS2 til enkelte molekyler ned til 6 zepto-gram (10? 21 gram), under massen af ​​alle kendte kræftmarkører. Mange virksomheder, herunder Genalyte, anvende WGM -biosensorer i diagnostiske produkter, der kan udføre snesevis af bioassays på få minutter.

Nu, Arnold og hans team på NYU Tandon's MicroParticle PhotoPhysics Laboratory for BioPhotonics (MP3L) er de første til at finde en måde at bestemme tætheden af ​​ladninger på et område af en WGM mikroperles overflade, samt ladningen af ​​en indsnævret nanopartikel eller virus, ved at måle, hvordan lysfrekvensen svinger, når den lille partikel følger sit vaklende forløb rundt om kuglen. Denne opdagelse kunne give forskere og producenter ikke bare mulighed for at identificere nanopartikler, men at manipulere dem.

Arnold, som også er medlem af Othmer-Jacobs Department of Chemical and Biomolecular Engineering ved NYU, og hans medforskere, herunder Jehovani Lopez, Eshan kasserer, Kaitlynn Snyder, og David Keng, for nylig offentliggjort deres resultater i Anvendt fysik bogstaver .

WGM -biosensoren, som Arnold opkaldte efter det berømte Whispering Gallery i kuplen på St. Paul's Cathedral i London, er en enhed på størrelse med en lille smartphone omfattende en afstembar laser, der ledes ned af et specielt behandlet fiberoptisk filament med en detektor i den fjerneste ende af filamentet, der måler lysets intensitet og resonans. En lille silica perle ved siden af ​​filamentet afleder en del af lysstrålen, som begynder at genlyde inden for perlen den måde, hvorpå lyd resonerer under kuplen i kirkegalleriet, som fænomenet er opkaldt til.

Mens WGM -biosensorens evne til at identificere individuelle nanopartikler førte til meget følsomme måleevner, Arnolds seneste opdagelse kunne muliggøre biosensorer skræddersyet til meget specifikke applikationer, fra bærbare sensorer til soldater og reddere designet til at detektere ekstremt lave koncentrationer af et mistænkt luftbåren nervemiddel, til måder at øge effektiviteten af ​​nanopartikelmedicinoptagelse og -fordeling.

"Charge styrer evnen til at transportere partikler, der interagerer med celler og andre objekter, der besidder elektriske felter, "sagde han." Ved at bestemme ladningen af ​​en virus, for eksempel, du kan forstå, hvordan den kan transporteres til celleoverfladen. Du er nødt til at forstå denne mekanisme for at konstruere en WGM-mikroperle, der har et specifikt antigen på et bestemt område af dens overflade, så biosensoren kan tiltrække specifikke patogener eller andre biomolekyler. "

Arnold og MP3L-teamet var i stand til at udtrække den elektrostatiske kraft mellem den kredsende nanopartikel og overfladen af ​​glasperlen gennem eksperimenter baseret på observationen af, at det nano-orbitale fænomen kræver en nær balance mellem den elektrostatiske kraft og den kendte optiske traktorstrålekraft , ligesom en vejningsvægt balancerer kraften i en fjeder mod din krops vægt.

"Forskellen i styrken af ​​den kraft, der måles, er overordentlig lille, "sagde Arnold, der forklarede, at den målte elektrostatiske kraft involveret i at holde en nanopartikel i kredsløb kun var 0.00000000000003 (3x10 ^-14 ) pund. "Med denne kraft i hånden kunne både ladningen på nanopartiklen og mikrokavitetsladningstætheden beregnes gennem en række forsøg."

Holdet planlægger derefter at bruge opdagelsen til at udvikle teknologi til "fotonisk udskrivning, "evnen til hurtigt at oprette mange opgavespecifikke WGM-biosensorer, med specifikke molekyler knyttet til bestemte områder af mikroperlen.