Kvantefysik og origami for det ultimative komme godt-kort

Papirbaserede diagnostiske tests er billige, praktisk og biologisk nedbrydelig. Imidlertid, deres anvendelse er begrænset af konventionelle farvestoffer - som ikke er klare nok til at vise spormængder af analyt, er tilbøjelige til at falme, og kan være miljømæssigt giftig.

Nu bruger forskere kvantefysik til at overvinde disse begrænsninger, siger en anmeldelse offentliggjort i Grænser inden for bioteknik og bioteknologi . De bizarre optiske egenskaber af bittesmå metalpartikler - mindre end lysbølger - kan fanges på papir for at detektere selv et enkelt målmolekyle i en testprøve. Disse hyperfølsomme testenheder kunne samles og tilpasses på brugsstedet i miljøer med lav ressource, med praktisk talt ubegrænsede applikationer, der spænder over medicin, retsmedicin, fremstilling og miljøsikkerhed.

"En ny generation af papirbaserede analytiske enheder er ved at blive udviklet, som bruger metalnanopartikler til analytidentifikation, " siger hovedforfatter Dr. Eden Morales-Narváez fra Center for Optikforskning i Mexico. "Disse vil tillade billige test i lav-ressource miljøer fra klinikker til gerningssteder til forurenede vandkilder."

Papirbaseret diagnostik er smart, men ikke lysstærk

Papir er et ideelt medium til billige, tilgængelige diagnostiske enheder - og er allerede nået langt fra graviditetstest-lignende strips, der blot blander en prøve med et testkemikalie.

"Papirenheder kan filtrere, koncentrer og bland reagenser med kontrolleret timing og sekvens - ved at bruge retningslinjer, der kan scores, tegnet eller endda trykt på, " forklarer Morales-Narváez. "Nogle grupper har endda brugt origami til at variere strømningsretningen og tilføje behandlingstrin, der tillader mere sofistikerede, duplikerede eller parallelle reaktioner ved hjælp af en enkelt papirenhed."

Den virkelige vanskelighed kommer i at læse resultaterne af disse papirbaserede tests.

"Testreaktioner er sat op, så hvis stoffet af interesse eller 'analyt' - en biomarkør eller forurenende stof, for eksempel - er til stede i en prøve, et farvet pigment produceres eller ændres.

"Problemet er, at konventionelle pigmenter producerer farver ved selektivt at absorbere nogle bølgelængder og blot reflektere andre - f.eks. rødt blæk ser rødt ud, fordi det absorberer kraftigt i de blå og grønne spektralområder.

"Det betyder, at for at der skal ske en synlig farveændring, der kræves relativt store mængder analyt. Med andre ord, testen er ikke særlig følsom."

At gøre tingene værre, testresultatet kan ikke gemmes som en registrering, fordi pigmenter er tilbøjelige til at falme, og kan i nogle tilfælde ikke kasseres sikkert på grund af pigmenttoksicitet.

En kvantefysisk løsning

Hvad papirbaserede tests har brug for, er en ultralys farveindikator. Cue metal nanopartikler (MNP'er).

"MNP'er kan give en lysere, varigt farvesignal, da de dramatisk forstærker en bestemt bølgelængde af lys - i stedet for blot at reflektere det, " opsummerer Morales-Narváez.

Som navnet antyder, MNP'er er metalstykker af nanometerstørrelse. 10-100 gange mindre end lysbølger, deres adfærd går ind i kvantefysikkens mærkelige område.

"Simpelt sagt:metaller består af et fast gitter af positive ioner, som deler en "sky" af negativt ladede frie elektroner.

"I nanometer-store metalstykker, visse bølgelængder af lys får disse frie elektroner til at vibrere i forhold til de faste positive ioner i metallet. Denne vibration forstærker lyset, udsender en lysere farve."

Stadig forvirret? Husk at lys er et synligt elektromagnetisk felt. Forestil dig en terning af metal placeret inde i dette felt. Elektroner, være negativt ladet, vil flytte til feltets positive pol, afdækning af positive metalioner ved den negative pol. Når feltet er væk (eller rettere som det - lysbølgen - svinger) bevæger elektronerne sig i den modsatte retning, frastødt af hinanden og trukket tilbage mod de afdækkede positive metalioner. Elektronerne svinger frem og tilbage på denne måde med det elektromagnetiske felts skiftende polaritet.

Ultrafølsom papirbaseret diagnostik

Afgørende, den særlige bølgelængde, der får de frie elektroner til at vibrere, kan indstilles - så farven forstærket af MNP'er afhænger af deres form, størrelse og afstand, samt typen af ​​metal og omgivende medium.

Som resultat, der er forskellige måder at koble en papirbaseret testreaktion på en ændring i MNP-farve.

"Du kan lave MNP'er, der binder analytten, lad derefter disse flyde i opløsning over faste biogenkendelseselementer på papiret, såsom antistoffer, som også binder analytten. En positiv test vil få MNP'erne til at akkumulere og dermed ændre deres afstand og omgivelser.

"Alternativt MNP'er kan frigives fra et holdemolekyle, når dette reagerer med en analyt.

"Nogle analytter kan endda erodere MNP'er, forårsager en farveændring direkte. For eksempel, ammoniak og andre flygtige forbindelser fra fødevarefordærvelse, eller UV-stråling fra soleksponering."

Resultatet:ultrafølsom papirdiagnostik.

"MNP'er kan producere synlige farveændringer ved selv atomolære koncentrationer af analyt, " bekræfter Morales-Narváez.

Det er omkring 30 molekyler pr. dråbe testprøve. Men hvis papirtesten læses af en speciel maskine i stedet for det menneskelige øje, følsomheden er endnu højere.

"Kombineret med en scanningsteknik kaldet Raman-spektroskopi, MNP'er kan rapportere påvisning af et enkelt analytmolekyle."

Med over 10, 000 forskningsartikler, der udforsker brugen af ​​MNP'er offentliggjort i 2018 alene, det kan ikke vare længe, ​​før kvantefysikdrevne papirdiagnoseenheder kommer ind i mainstream.