• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    Kvantfysik och origami för det ultimata bli frisk-kortet

    Metall nanopartikel konceptkonst. Kredit:Prof. Eden Morales-Narváez, CIO Mexiko

    Pappersbaserade diagnostiska tester är billiga, bekvämt och biologiskt nedbrytbart. Dock, deras användning begränsas av konventionella färgämnen – som inte är tillräckligt ljusa för att visa spårmängder av analyt, är benägna att blekna, och kan vara miljögiftigt.

    Nu använder forskare kvantfysik för att övervinna dessa begränsningar, säger en recension publicerad i Frontiers in Bioengineering and Biotechnology . De bisarra optiska egenskaperna hos små metallpartiklar - mindre än ljusvågor - kan fångas på papper för att detektera till och med en enda målmolekyl i ett testprov. Dessa hyperkänsliga testenheter kan monteras och anpassas vid användningstillfället i miljöer med låga resurser, med praktiskt taget obegränsade tillämpningar som spänner över medicin, kriminalteknik, tillverkning och miljösäkerhet.

    "En ny generation av pappersbaserade analytiska enheter utvecklas, som använder metallnanopartiklar för analytidentifiering, " säger huvudförfattaren Dr. Eden Morales-Narváez från Center for Optics Research i Mexiko. "Dessa kommer att möjliggöra billiga tester i låga resurser från kliniker till brottsplatser till förorenade vattenkällor."

    Pappersbaserad diagnostik är smart men inte ljusstark

    Papper är ett idealiskt medium för billiga, tillgängliga diagnostiska enheter – och har redan kommit långt från graviditetstestliknande remsor som helt enkelt blandar ett prov med en testkemikalie.

    "Pappersenheter kan filtrera, koncentrera och blanda reagenser med kontrollerad timing och sekvens - genom att använda riktlinjer som kan poängsättas, ritade eller till och med tryckta på, " förklarar Morales-Narváez. "Vissa grupper har till och med använt origami för att variera flödesriktningen och lägga till bearbetningssteg som möjliggör mer sofistikerade, dubbletter eller parallella reaktioner med en enda pappersenhet."

    Den verkliga svårigheten är att läsa resultaten av dessa pappersbaserade tester.

    "Testreaktioner är inställda så att om ämnet av intresse eller 'analyt' - en biomarkör eller förorening, till exempel – finns i ett prov, ett färgat pigment produceras eller förändras.

    "Problemet är att konventionella pigment producerar färger genom att selektivt absorbera vissa våglängder och helt enkelt reflektera andra - till exempel, rött bläck ser rött ut eftersom det absorberar starkt i de blå och gröna spektralområdena.

    "Detta betyder att för att en synlig färgförändring ska inträffa, relativt stora mängder analyt krävs. Med andra ord, testet är inte särskilt känsligt."

    För att göra saken värre, testresultatet kan inte sparas som ett register eftersom pigment är benägna att blekna, och i vissa fall kan inte säkert kasseras på grund av pigmenttoxicitet.

    En kvantfysisk lösning

    Vad pappersbaserade tester behöver är en ultraljus färgindikator. Cue metall nanopartiklar (MNP).

    "MNP kan ge en ljusare, bestående färgsignal, eftersom de dramatiskt förstärker en viss våglängd av ljus – snarare än att bara reflektera det, " sammanfattar Morales-Narváez.

    Som namnet antyder, MNP är nanometerstora metallbitar. Cirka 10-100 gånger mindre än ljusvågor, deras beteende går in i kvantfysikens märkliga rike.

    "Enkelt uttryckt:metaller består av ett fixerat gitter av positiva joner, som delar ett "moln" av negativt laddade fria elektroner.

    "I nanometerstora metallbitar, vissa våglängder av ljus får dessa fria elektroner att vibrera med avseende på de fixerade positiva jonerna i metallen. Denna vibration förstärker ljuset, avger en ljusare färg."

    Fortfarande förvirrad? Kom ihåg att ljus är ett synligt elektromagnetiskt fält. Föreställ dig en kub av metall placerad i detta fält. Elektroner, vara negativt laddad, kommer att flytta till fältets positiva pol, avtäcker positiva metalljoner vid den negativa polen. När fältet är borta (eller snarare när det - ljusvågen - svänger) rör sig elektronerna i motsatt riktning, stöts bort av varandra och dras tillbaka mot de avtäckta positiva metalljonerna. Elektronerna pendlar fram och tillbaka på detta sätt med den ändrade polariteten hos det elektromagnetiska fältet.

    Ultrakänslig pappersbaserad diagnostik

    Avgörande, den speciella våglängden som får de fria elektronerna att vibrera är inställbar - så färgen som förstärks av MNP beror på deras form, storlek och avstånd, samt typen av metall och omgivande medium.

    Som ett resultat, det finns olika sätt att koppla en pappersbaserad testreaktion till en förändring i MNP-färg.

    "Du kan göra MNP som binder analyten, låt sedan dessa flyta i lösning över fasta bioigenkänningselement på papperet, såsom antikroppar, som också binder analyten. Ett positivt test kommer att få MNP:erna att ackumuleras och därmed ändra deras avstånd och omgivning.

    "Alternativt MNP:er kan frigöras från en kvarhållande molekyl när denna reagerar med en analyt.

    "Vissa analyter kan till och med erodera MNP, orsakar en färgförändring direkt. Till exempel, ammoniak och andra flyktiga föreningar från livsmedelsförstöring, eller UV-strålning från solexponering."

    Resultatet:ultrakänslig pappersdiagnostik.

    "MNP:er kan producera synliga färgförändringar vid även atomolära koncentrationer av analyt, " bekräftar Morales-Narváez.

    Det är ungefär 30 molekyler per droppe testprov. Men om papperstestet läses av en speciell maskin snarare än det mänskliga ögat, känsligheten är ännu högre.

    "Kombinerat med en skanningsteknik som kallas Raman-spektroskopi, MNP kan rapportera detektion av en enda analytmolekyl."

    Med över 10, 000 forskningsartiklar som utforskar användningen av MNP publicerade bara under 2018, det kan inte dröja länge innan kvantfysikdrivna pappersdiagnostiska enheter kommer in i mainstream.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com