Universiteitshoogleraar Toegepaste Natuurkunde Stephen Arnold en zijn team aan de Tandon School of Engineering van de New York University hebben een ontdekking gedaan die zou kunnen leiden tot Star Trek-achtige biosensor-apparaten die in staat zijn om de kleinste aanwezigheid in het bloed van een specifiek virus of antilichaam te signaleren, of eiwitmarker voor een specifieke kanker; of het opsnuiven van chemische oorlogsmiddelen in de lucht terwijl ze nog ver onder het toxische niveau zijn.

De ontdekking volgt op jarenlang baanbrekend werk van Arnold, die in 1995 ontdekte dat een optische vezel wat hij noemde de Whispering Gallery Mode (WGM) kon opwekken in microbolletjes van polymeer van minder dan een derde van de diameter van een mensenhaar. Verdere ontdekkingen en patenten leidden tot WGM-biosensoren die in staat zijn de massa virussen te meten, eiwitten en andere nanodeeltjes door ze in een ruimtevaartuigachtige baan rond de microkraal te sturen, dankzij een fotonische "tractorstraal" veroorzaakt door het resonerende licht. Arnold en medewerkers bedachten vervolgens een manier om deze WGM-biosensoren gevoelig genoeg te maken om zelfs de kleinste individuele biodeeltjes van het RNA-virus MS2 te identificeren tot afzonderlijke moleculen tot 6 zepto-gram (10-21 gram), onder de massa van alle bekende kankermarkers. Veel bedrijven, inclusief Genaliet, gebruik WGM-biosensoren in diagnostische producten die binnen enkele minuten tientallen bioassays kunnen uitvoeren.

Nutsvoorzieningen, Arnold en zijn team van NYU Tandon's MicroParticle PhotoPhysics Laboratory for BioPhotonics (MP3L) zijn de eersten die een manier hebben gevonden om de dichtheid van ladingen te bepalen op een gebied van het oppervlak van een WGM-microkraal, evenals de lading van een verstrikt nanodeeltje of virus, door te meten hoe de lichtfrequentie fluctueert terwijl het kleine deeltje zijn wankele baan rond de bol volgt. Met deze ontdekking kunnen onderzoekers en fabrikanten niet alleen nanodeeltjes identificeren, maar om ze te manipuleren.

Arnoldus, die ook lid is van het Othmer-Jacobs Department of Chemical and Biomolecular Engineering aan de NYU, en zijn collega-onderzoekers, waaronder Jehovani Lopez, Eshan Penningmeester, Kaitlynn Snyder, en David Keng, publiceerden onlangs hun bevindingen in Technische Natuurkunde Brieven .

De WGM-biosensor, die Arnold noemde naar de beroemde Whispering Gallery in de koepel van St. Paul's Cathedral in Londen, is een apparaat ter grootte van een kleine smartphone, bestaande uit een afstembare laser die door een speciaal behandelde vezeloptische gloeidraad wordt geleid met een detector aan het uiteinde van de gloeidraad die de intensiteit en resonantie van het licht meet. Een kleine silicakraal naast de gloeidraad leidt een deel van de lichtstraal af, die begint te resoneren in de kraal zoals geluid resoneert onder de koepel van de kerkgalerij waarnaar het fenomeen is vernoemd.

Hoewel het vermogen van de WGM-biosensor om individuele nanodeeltjes te identificeren leidde tot zeer gevoelige meetmogelijkheden, Arnold's nieuwste ontdekking zou biosensoren mogelijk kunnen maken die zijn afgestemd op zeer specifieke toepassingen, van draagbare sensoren voor soldaten en reddingswerkers die zijn ontworpen om extreem lage concentraties van een vermoedelijk zenuwgas in de lucht te detecteren, naar manieren om de efficiëntie van de opname en herverdeling van geneesmiddelen in nanodeeltjes te vergroten.

"Lading regelt het vermogen om deeltjes te transporteren die interageren met cellen en andere objecten die elektrische velden bezitten, " zei hij. "Door de lading van een virus te bepalen, bijvoorbeeld, je kunt begrijpen hoe het naar het celoppervlak kan worden getransporteerd. Je moet dit mechanisme begrijpen om een ​​WGM-microkraal te maken die een specifiek antigeen heeft op een specifiek deel van het oppervlak, zodat de biosensor specifieke pathogenen of andere biomoleculen kan aantrekken."

Arnold en het MP3L-team waren in staat om de elektrostatische kracht tussen het in een baan om de aarde draaiende nanodeeltje en het oppervlak van de glazen kraal te extraheren door middel van experimenten op basis van de waarneming dat het nano-orbitale fenomeen een bijna evenwicht vereist tussen de elektrostatische kracht en de bekende optische trekstraalkracht , net zoals een weegschaal de kracht van een veer in evenwicht houdt met het lichaamsgewicht.

"Het verschil in de kracht van de gemeten kracht is buitengewoon klein, " zei Arnoldus, die uitlegde dat de gemeten elektrostatische kracht die nodig is om een ​​nanodeeltje in een baan om de aarde te houden slechts 0,00000000000003 (3x10 .) was ^-14 ) pond. "Met deze kracht in de hand konden zowel de lading op het nanodeeltje als de ladingsdichtheid van de microholte worden berekend door middel van een reeks experimenten."

Het team is van plan om de ontdekking te gebruiken om technologie te ontwikkelen voor "fotonisch printen, " de mogelijkheid om snel tal van taakspecifieke WGM-biosensoren te maken, met specifieke moleculen die aan specifieke gebieden van de microkraal zijn bevestigd.