I test diagnostici cartacei sono economici, conveniente e biodegradabile. Però, il loro uso è limitato dai coloranti convenzionali, che non sono abbastanza brillanti da mostrare tracce di analita, sono inclini a sbiadire, e può essere tossico per l'ambiente.

Ora i ricercatori stanno usando la fisica quantistica per superare queste limitazioni, dice una recensione pubblicata su Frontiere della bioingegneria e delle biotecnologie . Le bizzarre proprietà ottiche di minuscole particelle metalliche, più piccole delle onde luminose, possono essere catturate su carta per rilevare anche una singola molecola bersaglio in un campione di prova. Questi dispositivi di test ipersensibili potrebbero essere assemblati e personalizzati nel punto di utilizzo in ambienti con risorse limitate, con applicazioni praticamente illimitate che abbracciano la medicina, forense, produzione e sicurezza ambientale.

"Si sta sviluppando una nuova generazione di dispositivi analitici cartacei, che utilizzano nanoparticelle metalliche per l'identificazione degli analiti, ", afferma l'autore principale, il dott. Eden Morales-Narváez del Centro per la ricerca sull'ottica in Messico. "Ciò consentirà di eseguire test a basso costo in ambienti con risorse limitate, dalle cliniche alle scene del crimine fino alle fonti di acqua contaminata".

La diagnostica cartacea è intelligente ma non brillante

La carta è un supporto ideale per un prezzo economico, dispositivi diagnostici accessibili e ha già fatto molta strada dalle strisce in stile test di gravidanza che semplicemente mescolano un campione con una sostanza chimica in esame.

"I dispositivi cartacei possono filtrare, concentrare e miscelare i reagenti con tempi e sequenza controllati, utilizzando linee guida che possono essere valutate, disegnato o addirittura stampato su, " spiega Morales-Narváez. "Alcuni gruppi hanno persino utilizzato l'origami per variare la direzione del flusso e aggiungere fasi di elaborazione che consentono reazioni duplicate o parallele utilizzando un unico dispositivo cartaceo."

La vera difficoltà sta nel leggere i risultati di questi test cartacei.

"Le reazioni di prova sono impostate in modo tale che se la sostanza di interesse o 'analita' - un biomarcatore o inquinante, per esempio, è presente in un campione, viene prodotto o alterato un pigmento colorato.

"Il problema è che i pigmenti convenzionali producono colori assorbendo selettivamente alcune lunghezze d'onda e riflettendone semplicemente altre, ad esempio, l'inchiostro rosso appare rosso perché assorbe fortemente nelle regioni spettrali blu e verde.

"Ciò significa che affinché si verifichi un cambiamento di colore visibile, sono necessarie quantità relativamente grandi di analita. In altre parole, il test non è molto sensibile."

A peggiorare le cose, il risultato del test non può essere salvato come record perché i pigmenti tendono a sbiadire, e in alcuni casi non possono essere scartati in sicurezza a causa della tossicità dei pigmenti.

Una soluzione di fisica quantistica

Ciò di cui hanno bisogno i test cartacei è un indicatore di colore ultra brillante. Nanoparticelle di metallo cue (MNP).

"Gli MNP possono dare un aspetto più luminoso, segnale di colore duraturo, poiché amplificano drammaticamente una particolare lunghezza d'onda della luce, piuttosto che semplicemente rifletterla, " riassume Morales-Narváez.

Come suggerisce il nome, Gli MNP sono pezzi di metallo di dimensioni nanometriche. A circa 10-100 volte più piccole delle onde luminose, il loro comportamento entra nello strano regno della fisica quantistica.

"In parole povere:i metalli sono costituiti da un reticolo fisso di ioni positivi, che condividono una "nube" di elettroni liberi caricati negativamente.

"In pezzi di metallo di dimensioni nanometriche, certe lunghezze d'onda della luce fanno vibrare questi elettroni liberi rispetto agli ioni positivi fissati nel metallo. Questa vibrazione amplifica la luce, emettendo un colore più luminoso."

Ancora confuso? Ricorda che la luce è un campo elettromagnetico visibile. Immagina un cubo di metallo posto all'interno di questo campo. elettroni, essendo caricato negativamente, si sposterà al polo positivo del campo, scoprendo ioni metallici positivi al polo negativo. Quando il campo è sparito (o meglio mentre l'onda luminosa oscilla) gli elettroni si muovono nella direzione opposta, respinti l'uno dall'altro e attratti verso gli ioni metallici positivi scoperti. Gli elettroni oscillano avanti e indietro in questo modo con il cambiamento di polarità del campo elettromagnetico.

Diagnostica cartacea ultrasensibile

In modo cruciale, la particolare lunghezza d'onda che fa vibrare gli elettroni liberi è sintonizzabile, quindi il colore amplificato dagli MNP dipende dalla loro forma, dimensioni e spaziatura, così come il tipo di metallo e mezzo circostante.

Di conseguenza, ci sono vari modi per accoppiare una reazione di prova basata su carta a un cambiamento nel colore MNP.

"Puoi creare MNP che legano l'analita, quindi lasciarli fluire in soluzione su elementi di bioriconoscimento fissati sulla carta come anticorpi, che legano anche l'analita. Un test positivo farà accumulare gli MNP e quindi cambierà la loro spaziatura e l'ambiente circostante.

"In alternativa, Gli MNP possono essere rilasciati da una molecola di contenimento quando questa reagisce con un analita.

"Alcuni analiti possono persino erodere gli MNP, causando direttamente un cambiamento di colore. Per esempio, ammoniaca e altri composti volatili dal deterioramento degli alimenti, o radiazioni UV dall'esposizione al sole."

Il risultato:una diagnostica della carta ultrasensibile.

"Gli MNP possono produrre cambiamenti di colore visibili anche a concentrazioni attomolari di analita, " conferma Morales-Narváez.

Sono circa 30 molecole per goccia di campione. Ma se il test cartaceo viene letto da una macchina speciale anziché dall'occhio umano, la sensibilità è ancora più alta.

"In combinazione con una tecnica di scansione chiamata spettroscopia Raman, Gli MNP possono segnalare il rilevamento di una singola molecola di analita".

Con oltre 10, 000 articoli di ricerca che esplorano l'uso di MNP pubblicati solo nel 2018, potrebbe non passare molto tempo prima che i dispositivi diagnostici cartacei basati sulla fisica quantistica entrino nel mainstream.