Il professore universitario di fisica applicata Stephen Arnold e il suo team presso la Tandon School of Engineering della New York University hanno fatto una scoperta che potrebbe portare a dispositivi biosensori simili a Star Trek in grado di segnalare la minima presenza nel sangue di un virus o anticorpo specifico, o marcatore proteico per un cancro specifico; o fiutare agenti di guerra chimica nell'aria mentre sono ancora molto al di sotto dei livelli tossici.

La scoperta segue anni di lavoro pionieristico di Arnold, che nel 1995 scoprì che una fibra ottica poteva eccitare quella che chiamò Whispering Gallery Mode (WGM) in microsfere polimeriche meno di un terzo del diametro di un capello umano. Ulteriori scoperte e brevetti hanno portato a biosensori WGM in grado di misurare la massa dei virus, proteine ​​e altre nanoparticelle inviandole in un'orbita simile a un veicolo spaziale attorno alla microsfere, grazie ad un "raggio trattore" fotonico causato dalla luce risonante. Arnold e i suoi collaboratori hanno quindi ideato un modo per rendere questi biosensori WGM abbastanza sensibili da identificare anche le più piccole bioparticelle individuali dal virus a RNA MS2 a singole molecole fino a 6 zepto-grammi (10?21 grammi), al di sotto della massa di tutti i marker tumorali conosciuti. Molte aziende, compreso Genalyte, impiegare biosensori WGM in prodotti diagnostici in grado di eseguire dozzine di saggi biologici in pochi minuti.

Ora, Arnold e il suo team del MicroParticle PhotoPhysics Laboratory for BioPhotonics (MP3L) della NYU Tandon sono i primi a trovare un modo per determinare la densità delle cariche su un'area della superficie di una microsfere WGM, così come la carica di una nanoparticella o di un virus intrappolati, misurando come la frequenza della luce fluttua mentre la minuscola particella segue il suo percorso traballante attorno alla sfera. Questa scoperta potrebbe consentire a ricercatori e produttori non solo di identificare le nanoparticelle, ma per manipolarli.

Arnoldo, che è anche membro del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare Othmer-Jacobs presso la NYU, e i suoi colleghi ricercatori, compreso Jehovani Lopez, Eshan Tesoriere, Kaitlynn Snyder, e David Keng, recentemente pubblicato i loro risultati in Lettere di fisica applicata .

Il biosensore WGM, che Arnold ha chiamato per la famosa Whispering Gallery nella cupola della Cattedrale di St. Paul a Londra, è un dispositivo delle dimensioni di un piccolo smartphone composto da un laser sintonizzabile guidato lungo un filamento in fibra ottica appositamente trattato con un rilevatore all'estremità del filamento che misura l'intensità e la risonanza della luce. Una minuscola perlina di silice accanto al filamento devia una parte del raggio di luce, che inizia a risuonare all'interno del cordone come il suono risuona sotto la cupola della galleria della chiesa da cui prende il nome il fenomeno.

Mentre la capacità del biosensore WGM di identificare le singole nanoparticelle ha portato a capacità di misurazione altamente sensibili, L'ultima scoperta di Arnold potrebbe rendere possibili biosensori su misura per applicazioni molto specifiche, da sensori indossabili per soldati e soccorritori progettati per rilevare concentrazioni estremamente basse di un sospetto agente nervino aereo, ai modi per aumentare l'efficienza dell'assorbimento e della ridistribuzione dei farmaci nanoparticellari.

"La carica controlla la capacità di trasportare particelle che interagiscono con le cellule e altri oggetti che possiedono campi elettrici, " ha detto. " Determinando la carica di un virus, Per esempio, puoi capire come può essere trasportato sulla superficie cellulare. È necessario comprendere questo meccanismo per progettare una microsfere WGM che abbia un antigene specifico in una regione specifica della sua superficie in modo che il biosensore possa attrarre agenti patogeni specifici o altre biomolecole".

Arnold e il team di MP3L sono stati in grado di estrarre la forza elettrostatica tra la nanoparticella orbitante e la superficie della perla di vetro attraverso esperimenti basati sull'osservazione che il fenomeno nano-orbitale richiede un quasi equilibrio tra la forza elettrostatica e la nota forza del raggio ottico del trattore , proprio come una bilancia bilancia la forza di una molla contro il peso del tuo corpo.

"La differenza nella forza della forza misurata è straordinariamente piccola, "disse Arnoldo, che ha spiegato che la forza elettrostatica misurata coinvolta nel mantenere una nanoparticella in orbita era solo 0.00000000000003 (3x10 ^-14 ) libbre. "Con questa forza in mano sia la carica sulla nanoparticella che la densità di carica della microcavità potrebbero essere calcolate attraverso una serie di esperimenti".

Il team prevede di utilizzare la scoperta per sviluppare una tecnologia per "stampa fotonica, " la capacità di creare rapidamente numerosi biosensori WGM specifici per attività, con molecole specifiche attaccate ad aree specifiche della microsfere.