Universitetsprofessorn i tillämpad fysik Stephen Arnold och hans team vid New York University Tandon School of Engineering har gjort en upptäckt som kan leda till Star Trek-liknande biosensorenheter som kan flagga den absoluta närvaron i blodet av ett specifikt virus eller antikropp, eller proteinmarkör för en specifik cancer; eller sniffa upp luftburna kemiska krigföringsmedel medan de fortfarande ligger långt under giftiga nivåer.

Upptäckten följer år av banbrytande arbete av Arnold, som 1995 upptäckte att en optisk fiber kunde excitera vad han kallade Whispering Gallery Mode (WGM) i polymera mikropärlor som är mindre än en tredjedel av diametern på ett människohår. Ytterligare upptäckter och patent ledde till WGM -biosensorer som kan mäta massan av virus, proteiner och andra nanopartiklar genom att skicka dem till en rymdfarkostliknande bana runt mikropärlan, tack vare en fotonisk "traktorstråle" orsakad av det resonansljuset. Arnold och medarbetare utarbetade sedan ett sätt att göra dessa WGM-biosensorer tillräckligt känsliga för att identifiera även de minsta enskilda biopartiklarna från RNA-viruset MS2 till enstaka molekyler ner till 6 zeptogram (10-21 gram), under massan av alla kända cancermarkörer. Många företag, inklusive Genalyte, använda WGM-biosensorer i diagnostiska produkter som kan utföra dussintals bioanalyser på några minuter.

Nu, Arnold och hans team vid NYU Tandons MicroParticle PhotoPhysics Laboratory for BioPhotonics (MP3L) är de första som hittar ett sätt att bestämma laddningstätheten på ett område på en WGM-mikropärls yta, såväl som laddningen av en snärjd nanopartikel eller virus, genom att mäta hur ljusfrekvensen fluktuerar när den lilla partikeln följer sin vingliga kurs runt sfären. Denna upptäckt kan göra det möjligt för forskare och tillverkare att inte bara identifiera nanopartiklar, men att manipulera dem.

Arnold, som också är medlem av Othmer-Jacobs Department of Chemical and Biomolecular Engineering vid NYU, och hans medforskare, inklusive Jehovani Lopez, Eshan kassör, Kaitlynn Snyder, och David Keng, publicerade nyligen sina fynd i Bokstäver i tillämpad fysik .

WGM -biosensorn, som Arnold namngav efter det berömda Whispering Gallery i kupolen i St. Paul's Cathedral i London, är en anordning storleken på en liten smartphone innefattande en avstämbar laser som styrs ner i ett specialbehandlat fiberoptiskt glödtråd med en detektor längst ut på glödtråden som mäter ljusets intensitet och resonans. En liten kiseldioxidpärla bredvid glödtråden avleder en del av ljusstrålen, som börjar resonera inuti pärlan på samma sätt som ljud resonerar under kupolen på kyrkogalleriet som fenomenet är uppkallat efter.

Medan WGM biosensors förmåga att identifiera enskilda nanopartiklar ledde till mycket känsliga mätförmågor, Arnolds senaste upptäckt kan möjliggöra biosensorer skräddarsydda för mycket specifika applikationer, från bärbara sensorer för soldater och räddare som är avsedda att upptäcka extremt låga koncentrationer av ett misstänkt luftburet nervmedel, till sätt att öka effektiviteten av nanopartikeldrogupptag och omfördelning.

"Laddning styr förmågan att transportera partiklar som interagerar med celler och andra föremål som har elektriska fält, "sa han." Genom att bestämma laddningen av ett virus, till exempel, du kan förstå hur det kan transporteras till cellytan. Du måste förstå denna mekanism för att konstruera en WGM-mikropärla som har ett specifikt antigen vid ett specifikt område av dess yta så att biosensorn kan locka till sig specifika patogener eller andra biomolekyler. "

Arnold och MP3L-teamet kunde extrahera den elektrostatiska kraften mellan den kretsande nanopartikeln och ytan på glaspärlan genom experiment baserade på observationen att det nano-orbitala fenomenet kräver en nära balans mellan den elektrostatiska kraften och den kända optiska traktorstrålkraften , precis som en våg balanserar kraften från en fjäder mot din kroppsvikt.

"Skillnaden i styrkan på den kraft som mäts är utomordentligt liten, "sade Arnold, som förklarade att den uppmätta elektrostatiska kraften som var involverad i att hålla en nanopartikel i omloppsbana endast var 0.00000000000003 (3x10 ^-14 ) pund. "Med denna kraft i handen kunde både laddningen på nanopartikeln och mikrokavitetsladdningstätheten beräknas genom en rad experiment."

Teamet planerar sedan att använda upptäckten för att utveckla teknik för "fotonisk utskrift, "förmågan att snabbt skapa många uppgiftsspecifika WGM-biosensorer, med specifika molekyler fästa vid specifika områden av mikropärlan.