El profesor universitario de Física Aplicada Stephen Arnold y su equipo en la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York han hecho un descubrimiento que podría conducir a dispositivos biosensores tipo Star Trek capaces de marcar la presencia más mínima en la sangre de un virus o anticuerpo específico,o marcador de proteína para un cáncer específico; o detectar agentes de guerra química en el aire mientras todavía están muy por debajo de los niveles tóxicos.
El descubrimiento sigue años de trabajo innovador de Arnold, quien en 1995 descubrió que una fibra óptica podría excitar lo que él llamó el Modo Galería Susurrante WGM en microperlas de polímero de menos de un tercio del diámetro de un cabello humano. Descubrimientos adicionalesy las patentes condujeron a biosensores WGM capaces de medir la masa de virus, proteínas y otras nanopartículas enviándolas a una órbita similar a una nave espacial alrededor de la microperla, gracias a un "rayo tractor" fotónico causado por la luz resonante. Arnold y colaboradores entoncesideó una forma de hacer que estos biosensores WGM sean lo suficientemente sensibles como para identificar incluso las biopartículas individuales más pequeñas del virus de ARN MS2 a moléculas individuales de hasta 6 zeptogramos 6x10 -21 gramos, debajo de la masa de todos los marcadores de cáncer conocidos.Muchas compañías, incluida Genalyte, emplean biosensores WGM en productos de diagnóstico que pueden realizar docenas de bioensayos en minutos.
Ahora, Arnold y su equipo en el Laboratorio de fotofísica de micropartículas para biophotonics MP3L de NYU Tandon son los primeros en encontrar una manera de determinar la densidad de las cargas en un área de la superficie de una microperla WGM, así como la carga de unnanopartículas o virus atrapados, midiendo cómo fluctúa la frecuencia de la luz a medida que la pequeña partícula sigue su curso tambaleante alrededor de la esfera. Este descubrimiento podría permitir a los investigadores y fabricantes no solo identificar nanopartículas, sino también manipularlas.
Arnold, quien también es miembro del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Othmer-Jacobs en la Universidad de Nueva York, y sus colegas investigadores, incluidos Jovani López, Tesorero de Eshan, Kaitlynn Snyder y David Keng, publicaron recientemente sus hallazgos en Cartas de Física Aplicada.
El biosensor WGM, que Arnold nombró para la famosa Galería Whispering en la cúpula de la Catedral de San Pablo en Londres, es un dispositivo del tamaño de un pequeño teléfono inteligente que comprende un láser sintonizable guiado por un filamento de fibra óptica especialmente tratado con un detector enel extremo más alejado del filamento mide la intensidad y la resonancia de la luz. Una pequeña cuenta de sílice al lado del filamento desvía una porción del haz de luz, que comienza a resonar dentro de la forma en que el sonido resuena bajo la cúpula de la galería de la iglesia para la cual elfenómeno se nombra.
Si bien la capacidad del biosensor WGM para identificar nanopartículas individuales condujo a capacidades de medición altamente sensibles, el último descubrimiento de Arnold podría hacer posibles biosensores adaptados a aplicaciones muy específicas, desde sensores portátiles para soldados y rescatadores diseñados para detectar concentraciones extremadamente bajas de un presunto agente nervioso en el aire, a formas de aumentar la eficiencia de la absorción y redistribución de drogas en nanopartículas.
"La carga controla la capacidad de transportar partículas que interactúan con las células y otros objetos que poseen campos eléctricos", dijo. "Al determinar la carga de un virus, por ejemplo, puede comprender cómo puede transportarse a la célulasuperficie. Debe comprender este mecanismo para diseñar una microperla WGM que tenga un antígeno específico en una región específica de su superficie para que el biosensor pueda atraer patógenos específicos u otras biomoléculas ".
Arnold y el equipo de MP3L pudieron extraer la fuerza electrostática entre la nanopartícula en órbita y la superficie de la cuenta de vidrio a través de experimentos basados en la observación de que el fenómeno nano-orbital requiere un equilibrio cercano entre la fuerza electrostática y el tractor óptico conocidohaz de fuerza, al igual que una balanza equilibra la fuerza de un resorte contra el peso de su cuerpo.
"La diferencia en la fuerza de la fuerza que se mide es extraordinariamente pequeña", dijo Arnold, quien explicó que la fuerza electrostática medida involucrada en mantener una nanopartícula en órbita era solo 0.00000000000003 3x10-14 libras ". Con esta fuerza enPor otro lado, tanto la carga en la nanopartícula como la densidad de carga de la microcavidad podrían calcularse mediante una serie de experimentos ".
El equipo luego planea usar el descubrimiento para desarrollar tecnología para la "impresión fotónica", la capacidad de crear rápidamente numerosos biosensores WGM específicos de la tarea, con moléculas específicas unidas a áreas específicas de la microperla.
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Materiales proporcionado por NYU Tandon School of Engineering . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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