Op papier gebaseerde diagnostische tests zijn goedkoop, handig en biologisch afbreekbaar. Echter, hun gebruik wordt beperkt door conventionele kleurstoffen - die niet helder genoeg zijn om sporen van analyt te tonen, zijn vatbaar voor vervaging, en kan giftig zijn voor het milieu.

Nu gebruiken onderzoekers kwantumfysica om deze beperkingen te overwinnen, zegt een recensie gepubliceerd in Grenzen in bio-engineering en biotechnologie . De bizarre optische eigenschappen van minuscule metaaldeeltjes - kleiner dan lichtgolven - kunnen op papier worden vastgelegd om zelfs maar één doelmolecuul in een testmonster te detecteren. Deze hypergevoelige testapparaten kunnen worden geassembleerd en aangepast op het punt van gebruik in omgevingen met weinig middelen, met vrijwel onbeperkte toepassingen in de geneeskunde, forensisch, productie en milieuveiligheid.

"Er wordt een nieuwe generatie op papier gebaseerde analytische apparaten ontwikkeld, die metalen nanodeeltjes gebruiken voor de identificatie van analyten, " zegt hoofdauteur Dr. Eden Morales-Narváez van het Center for Optics Research in Mexico. "Deze zullen goedkope tests mogelijk maken in omgevingen met weinig middelen, van klinieken tot plaats delict tot vervuilde waterbronnen."

Diagnostiek op papier is slim, maar niet helder

Papier is een ideaal medium voor goedkope, toegankelijke diagnostische apparaten - en heeft al een lange weg afgelegd van strips in zwangerschapsteststijl die eenvoudig een monster met een teststof vermengen.

"Papierapparaten kunnen filteren, concentraat en meng reagentia met gecontroleerde timing en volgorde - door gebruik te maken van richtlijnen die kunnen worden gescoord, getekend of zelfs bedrukt, " legt Morales-Narváez uit. "Sommige groepen hebben zelfs origami gebruikt om de stroomrichting te variëren en verwerkingsstappen toe te voegen die meer geavanceerde, dubbele of parallelle reacties met behulp van een enkel papieren apparaat."

De echte moeilijkheid zit hem in het lezen van de resultaten van deze op papier gebaseerde tests.

"Testreacties zijn zo opgezet dat als de stof van belang of 'analyt' - een biomarker of verontreinigende stof, bijvoorbeeld - is aanwezig in een monster, een gekleurd pigment wordt geproduceerd of gewijzigd.

"Het probleem is dat conventionele pigmenten kleuren produceren door selectief sommige golflengten te absorberen en andere eenvoudig te reflecteren, bijvoorbeeld, rode inkt lijkt rood omdat het sterk absorbeert in de blauwe en groene spectrale gebieden.

"Dit betekent dat voor een zichtbare kleurverandering, relatief grote hoeveelheden analyt nodig zijn. Met andere woorden, de test is niet erg gevoelig."

Om het erger te maken, het testresultaat kan niet als record worden opgeslagen omdat pigmenten snel vervagen, en kan in sommige gevallen niet veilig worden weggegooid vanwege pigmenttoxiciteit.

Een kwantumfysica-oplossing

Wat op papier gebaseerde tests nodig hebben, is een ultraheldere kleurindicator. Cue metalen nanodeeltjes (MNP's).

"MNP's kunnen een helderder, blijvend kleursignaal, omdat ze een bepaalde golflengte van licht dramatisch versterken - in plaats van het alleen maar te reflecteren, ", vat Morales-Narváez samen.

Zoals de naam al doet vermoeden, MNP's zijn stukjes metaal ter grootte van een nanometer. Ongeveer 10-100 keer kleiner dan lichtgolven, hun gedrag betreedt het vreemde rijk van de kwantumfysica.

"Simpel gezegd:metalen bestaan ​​uit een vast rooster van positieve ionen, die een "wolk" van negatief geladen vrije elektronen delen.

"In nanometergrote stukjes metaal, bepaalde golflengten van licht laten deze vrije elektronen trillen ten opzichte van de vaste positieve ionen in het metaal. Deze trilling versterkt het licht, een helderdere kleur uitstralen."

Nog steeds verward? Onthoud dat licht een zichtbaar elektromagnetisch veld is. Stel je een kubus van metaal voor die in dit veld is geplaatst. elektronen, negatief geladen zijn, zal naar de positieve pool van het veld gaan, het blootleggen van positieve metaalionen aan de negatieve pool. Als het veld weg is (of liever:de lichtgolf oscilleert), bewegen de elektronen in de tegenovergestelde richting, afgestoten door elkaar en terug aangetrokken naar de onbedekte positieve metaalionen. De elektronen oscilleren op deze manier heen en weer met de veranderende polariteit van het elektromagnetische veld.

Ultragevoelige op papier gebaseerde diagnose

Cruciaal, de specifieke golflengte die ervoor zorgt dat de vrije elektronen trillen, is afstembaar - dus de kleur die wordt versterkt door MNP's hangt af van hun vorm, grootte en afstand, evenals het type metaal en het omringende medium.

Als resultaat, er zijn verschillende manieren om een ​​op papier gebaseerde testreactie te koppelen aan een verandering in MNP-kleur.

"Je kunt MNP's maken die de analyt binden, laat deze dan in oplossing stromen over vaste bioherkenningselementen op het papier zoals antilichamen, die ook de analyt binden. Een positieve test zal ervoor zorgen dat de MNP's zich ophopen en zo hun afstand en omgeving veranderen.

"Alternatief, MNP's kunnen vrijkomen uit een vasthoudend molecuul wanneer dit reageert met een analyt.

"Sommige analyten kunnen zelfs MNP's eroderen, direct een kleurverandering veroorzaken. Bijvoorbeeld, ammoniak en andere vluchtige verbindingen van voedselbederf, of UV-straling van blootstelling aan de zon."

Het resultaat:ultragevoelige papierdiagnose.

"MNP's kunnen zichtbare kleurveranderingen produceren bij zelfs attomolaire concentraties analyt, " bevestigt Morales-Narváez.

Dat zijn ongeveer 30 moleculen per druppel testmonster. Maar als de papieren test door een speciale machine wordt gelezen in plaats van door het menselijk oog, de gevoeligheid is nog hoger.

"Gecombineerd met een scantechniek genaamd Raman-spectroscopie, MNP's kunnen de detectie van een enkel molecuul analyt rapporteren."

Met meer dan 10, 000 onderzoeksartikelen over het gebruik van MNP's die alleen al in 2018 zijn gepubliceerd, het kan niet lang duren voordat door kwantumfysica aangedreven papieren diagnostische apparaten de mainstream binnenkomen.