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    El avance en biosensores fotónicos podría conducir a detectores y diagnósticos súper precisos

    El investigador Stephen Arnold observa una configuración de biosensor en modo galería susurrante que comprende un microcanal que contiene un filamento de fibra óptica, una microesfera de sílice, y un láser y un detector dentro de un pequeño dispositivo. Crédito:Escuela de Ingeniería NYU Tandon

    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 similares a Star Trek capaces de señalar la presencia más mínima en la sangre de un virus o anticuerpo específico. o marcador de proteína para un cáncer específico; o olfatear agentes de guerra química en el aire cuando aún están muy por debajo de los niveles tóxicos.

    El descubrimiento sigue a años de trabajo pionero de Arnold, quien en 1995 descubrió que una fibra óptica podía excitar lo que denominó Whispering Gallery Mode (WGM) en microperlas de polímero de menos de un tercio del diámetro de un cabello humano. Nuevos descubrimientos y patentes llevaron 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. Luego, Arnold y sus colaboradores idearon una forma de hacer que estos biosensores WGM fueran lo suficientemente sensibles como para identificar incluso las biopartículas individuales más pequeñas del virus ARN MS2 en moléculas individuales de hasta 6 zeto-gramos (10? 21 gramos), por debajo de la masa de todos los marcadores de cáncer conocidos. Muchas compañías, incluido Genalyte, Emplear 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 Biofotónica (MP3L) de NYU Tandon son los primeros en encontrar una manera de determinar la densidad de cargas en un área de la superficie de una microperla WGM, así como la carga de una nanopartícula o virus atrapado, midiendo cómo fluctúa la frecuencia de la luz a medida que la pequeña partícula sigue su curso inestable alrededor de la esfera. Este descubrimiento podría permitir a los investigadores y fabricantes no solo identificar nanopartículas, sino manipularlos.

    Arnold, quien también es miembro del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Othmer-Jacobs en NYU, y sus compañeros investigadores, incluyendo a Jehovani Lopez, Tesorero de Eshan, Kaitlynn Snyder, y David Keng, publicó recientemente sus hallazgos en Letras de física aplicada .

    El biosensor WGM, que Arnold nombró por la famosa Galería de los Susurros 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 en el extremo más alejado del filamento que mide la intensidad y la resonancia de la luz. Una pequeña perla de sílice junto al filamento desvía una parte del haz de luz, que comienza a resonar dentro de la cuenta de la misma manera que el sonido resuena bajo la cúpula de la galería de la iglesia que da nombre al fenómeno.

    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, de sensores portátiles para soldados y rescatistas diseñados para detectar concentraciones extremadamente bajas de un agente nervioso sospechoso en el aire, a formas de aumentar la eficiencia de la captación y redistribución de nanopartículas de fármacos.

    "La carga controla la capacidad de transportar partículas que interactúan con células y otros objetos que poseen campos eléctricos, ", dijo." Al determinar la carga de un virus, por ejemplo, puede comprender cómo se puede transportar a la superficie celular. Es necesario 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 perla de vidrio a través de experimentos basados ​​en la observación de que el fenómeno nanoorbital requiere un equilibrio cercano entre la fuerza electrostática y la conocida fuerza del rayo tractor óptico. , al igual que una balanza equilibra la fuerza de un resorte con 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 en la mano, tanto la carga de la nanopartícula como la densidad de carga de la microcavidad podrían calcularse mediante una serie de experimentos".

    A continuación, el equipo planea utilizar el descubrimiento para desarrollar tecnología para "impresión fotónica, "la capacidad de crear rápidamente numerosos biosensores WGM para tareas específicas, con moléculas específicas unidas a áreas específicas de la microperla.

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