Quantenphysik und origami für die ultimative get-well-card: Wissenschaftler haben kombiniert die Einfachheit von Papier mit der Komplexität der Quanten-Physik für die point-of-care-testing

Papier-basierte Diagnose-tests sind Billig, bequem und biologisch abbaubar. Doch Ihr Einsatz ist begrenzt durch herkömmliche Farbstoffe — die sind nicht helle genug, um zu zeigen, Spurenmengen von Analyten, sind anfällig für verblassen und können die Umwelt giftig.

Jetzt Forscher mithilfe der Quantenphysik, um diese Einschränkungen zu überwinden, sagt eine review veröffentlicht in Grenzen in der Bioverfahrenstechnik und der Biotechnologie. Die bizarre optische Eigenschaften von winzigen Metallteilchen — kleiner als die Lichtwellen-kann auf Papier festgehalten zu erkennen, die sogar ein einzelnes Molekül in einer Probe. Diese hyper-empfindliche Prüfgeräte werden konnte, montiert und angepasst an den Einsatz in low-Ressource-Umgebungen, mit nahezu unbegrenzten Anwendungen, die über Medizin, der Forensik, der Herstellung und der ökologischen Sicherheit.

„Eine neue generation von Papier-basierten analytischen Geräte entwickelt, die die Verwendung von Metall-Nanopartikeln für die Analyten Identifizierung“, sagt führen Autor Dr. Eden Morales-Narváez des Zentrums für Optik-Forschung in Mexiko. „Diese können low-cost-Tests in low-Ressource-Einstellungen von Kliniken, um die Tatorte kontaminierten Wasserquellen.“

Papier-basierte Diagnostik sind schick, aber nicht zu hell

Papier ist ein ideales medium für billige, zugängliche Diagnose-Geräten-und hat schon einen langen Weg zurückgelegt von der Schwangerschaft-test-Stil Streifen, mischen Sie einfach eine Probe mit einer test-Chemikalie.

„Papier-Geräte können filter, Konzentrat und mischen von Reagenzien mit kontrollierten timing und Sequenz — durch die Verwendung von Richtlinien, die erzielt werden kann, gezeichnet oder sogar gedruckt auf“, erklärt Morales-Narváez. „Einige Gruppen haben sogar verwendet origami zu variieren, Fließrichtung und fügen Sie die Verarbeitungsschritte, die es ermöglichen, mehr raffinierte, doppelte oder parallele Reaktionen mit einer einzigen Papier-Gerät.“

Die eigentliche Schwierigkeit kommt bei der Lektüre der Ergebnisse dieser Papier-basierten tests.

„Test-Reaktionen sind so eingerichtet, dass, wenn die Substanz von Interesse oder ‚Analyt‘ — biomarker oder Schadstoffe, zum Beispiel-ist in einer Probe vorhanden sind, ein farbiges pigment ist hergestellt oder verändert werden.

„Das problem ist, dass konventionelle Pigmente produzieren Farben, indem selektiv absorbieren einige Wellenlängen und einfach reflektiert, andere-zum Beispiel rote Farbe erscheint-rot, weil es absorbiert sehr stark im blauen und grünen Spektralbereich.

„Dies bedeutet, dass für eine sichtbare Farbänderung auftreten, relativ große Mengen des Analyten erforderlich sind. In anderen Worten, der test ist nicht sehr empfindlich.“

Noch schlimmer zu machen, ist das Testergebnis kann nicht gespeichert werden, da ein Datensatz, weil Pigmente dazu neigen, zu verblassen, und in einigen Fällen nicht mit Sicherheit verworfen, weil der pigment-Toxizität.

Ein quantum Physik-Lösung

Was Papier-basierten tests brauchen, ist ein ultra-helle Farb-Indikator. Cue-Metall-Nanopartikel (MNPs).

„MNPs werden können, geben eine hellere, leuchtende Farben signal, da Sie dramatisch verstärken einer bestimmten Wellenlänge des Lichtes — anstatt einfach ihn zu reflektieren“, resümiert Morales-Narváez.

Wie der name schon sagt, MNPs sind nanometer-große Stücke von Metall. Bei etwa 10 bis 100 mal kleiner sind als Lichtwellen, deren Verhalten tritt in das seltsame Reich der Quantenphysik.

„Einfach ausgedrückt: Metalle bestehen aus einem festen Gitter aus positiv geladenen Ionen, die teilen sich eine „Wolke“ von negativ geladenen freien Elektronen.

„In nanometer-große Stücke von Metall, die bestimmte Wellenlängen des Lichts machen diese freien Elektronen schwingen mit Bezug auf die Feste positive Ionen in das Metall. Diese vibration verstärkt das Licht, emittiert, desto heller die Farbe.“

Immer noch verwirrt? Denken Sie daran, dass Licht ist eine sichtbare elektromagnetische Feld. Stellen Sie sich einen Würfel aus Metall platziert, in dieses Feld. Elektronen, die negativ geladen ist, bewegt sich zum positiven pol des Feldes, das aufdecken von positiven Metall-Ionen am Minuspol. Wenn das Feld Weg ist (oder vielmehr, wie es-das Licht-Welle-schwingt) die Elektronen bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung abgestoßen von einander und zogen sich zurück in Richtung der ungedeckten positive Metall-Ionen. Die Elektronen schwingen hin und her in dieser Weise mit der wechselnden Polarität des elektromagnetischen Feldes.

Ultra-sensitive paper-based diagnotics

Entscheidend ist, die Besondere Wellenlänge, die bewirkt, dass die freien Elektronen zu Schwingungen, abstimmbar — also die Farbe verstärkt durch MNPs, hängt von Ihrer Form, Größe und Abstand, sowie die Art der Metall und dem umgebenden medium.

Als ein Ergebnis, gibt es verschiedene Möglichkeiten, um ein paar paper-based test Reaktion auf eine änderung in der MNP-Farbe.

„Sie machen können, MNPs, binden den Analyten, dann lassen wir diese fließen in Lösung über Feste biorecognition Elemente auf dem Papier, wie Antikörper, der das binden des Analyten. Ein positiver test wird die Ursache der MNPs, zu sammeln und so ändern Sie Ihren Abstand und die Umgebung.

„Alternativ, MNPs freigegeben werden können, von einer holding-Molekül, wenn dieses reagiert mit einem Analyten.

„Einige analyte können auch Erodieren MNPs, was zu einer Farbänderung direkt. Zum Beispiel, Ammoniak und anderen flüchtigen verbindungen von Verderb von Lebensmitteln oder UV-Strahlung durch die Sonne.“

Das Ergebnis: ultra-empfindliche Papier Diagnose.

„MNPs können sichtbare Farbveränderungen sogar bei attomolaren Konzentrationen von Analyten,“ bestätigt Morales-Narváez.

Das ist etwa 30 Moleküle pro Tropfen der Probe. Aber wenn die Papier-test ist zu Lesen von einer speziellen Maschine eher, als das menschliche Auge, die Empfindlichkeit ist sogar noch höher.

„Kombiniert mit einer scan-Technik, die sogenannte Raman-Spektroskopie, MNPs melden kann Erkennung von ein einzelnes Molekül des Analyten.“

Mit über 10.000 Artikeln Forschung erforschen die Verwendung von MNPs veröffentlicht im Jahr 2018 allein, es kann nicht lange dauern, bis Quantenphysik-powered-Papier-Diagnose-Geräten geben Sie den mainstream.