Las pruebas de diagnóstico en papel son baratas, conveniente y biodegradable. Sin embargo, su uso está limitado por los tintes convencionales, que no son lo suficientemente brillantes como para mostrar trazas de analito, son propensos a desvanecerse, y puede ser tóxico para el medio ambiente.

Ahora los investigadores están utilizando la física cuántica para superar estas limitaciones, dice una reseña publicada en Fronteras en bioingeniería y biotecnología . Las extrañas propiedades ópticas de las diminutas partículas metálicas, más pequeñas que las ondas de luz, se pueden capturar en papel para detectar incluso una sola molécula objetivo en una muestra de prueba. Estos dispositivos de prueba hipersensibles se pueden ensamblar y personalizar en el punto de uso en entornos de bajos recursos, con aplicaciones prácticamente ilimitadas que abarcan la medicina, forense, fabricación y seguridad ambiental.

"Se está desarrollando una nueva generación de dispositivos analíticos en papel, que utilizan nanopartículas metálicas para la identificación de analitos, ", dice el autor principal, el Dr. Eden Morales-Narváez, del Centro de Investigación Óptica de México. Esto permitirá realizar pruebas de bajo costo en entornos de bajos recursos, desde clínicas hasta escenas de crímenes y fuentes de agua contaminada".

Los diagnósticos basados ​​en papel son inteligentes pero no brillantes

El papel es un medio ideal para dispositivos de diagnóstico accesibles, y ya ha recorrido un largo camino desde las tiras de estilo de prueba de embarazo que simplemente mezclan una muestra con una sustancia problema.

"Los dispositivos de papel pueden filtrar, concentrar y mezclar reactivos con tiempo y secuencia controlados, utilizando pautas que pueden puntuarse, dibujado o incluso impreso, "explica Morales-Narváez." Algunos grupos incluso han utilizado el origami para variar la dirección del flujo y agregar pasos de procesamiento que permiten más sofisticados, reacciones duplicadas o paralelas utilizando un solo dispositivo de papel ".

La verdadera dificultad surge al leer los resultados de estas pruebas en papel.

"Las reacciones de prueba se configuran de modo que si la sustancia de interés o 'analito' - un biomarcador o contaminante, por ejemplo, está presente en una muestra, se produce o se altera un pigmento coloreado.

"El problema es que los pigmentos convencionales producen colores al absorber selectivamente algunas longitudes de onda y simplemente reflejar otras, por ejemplo, la tinta roja aparece roja porque absorbe fuertemente en las regiones espectrales azul y verde.

"Esto significa que para que se produzca un cambio de color visible, se requieren cantidades relativamente grandes de analito. En otras palabras, la prueba no es muy sensible ".

Para empeorar las cosas, el resultado de la prueba no se puede guardar como un registro porque los pigmentos son propensos a desvanecerse, y en algunos casos no se puede desechar de forma segura debido a la toxicidad del pigmento.

Una solución de física cuántica

Lo que necesitan las pruebas en papel es un indicador de color ultrabrillante. Nanopartículas de metal de señal (MNP).

"Los MNP pueden ofrecer un aspecto más brillante, señal de color duradera, ya que amplifican dramáticamente una longitud de onda de luz en particular, en lugar de simplemente reflejarla, "resume Morales-Narváez.

Como el nombre sugiere, Los MNP son piezas de metal de tamaño nanométrico. Aproximadamente entre 10 y 100 veces más pequeño que las ondas de luz, su comportamiento entra en el extraño reino de la física cuántica.

"En pocas palabras:los metales consisten en una red fija de iones positivos, que comparten una "nube" de electrones libres cargados negativamente.

"En piezas de metal del tamaño de un nanómetro, ciertas longitudes de onda de luz hacen que estos electrones libres vibren con respecto a los iones positivos fijos del metal. Esta vibración amplifica la luz, emitiendo un color más brillante ".

¿Sigo confundido? Recuerde que la luz es un campo electromagnético visible. Imagina un cubo de metal colocado dentro de este campo. Electrones estar cargado negativamente, se moverá al polo positivo del campo, descubriendo iones metálicos positivos en el polo negativo. Cuando el campo desaparece (o más bien mientras oscila, la onda de luz), los electrones se mueven en la dirección opuesta, repelidos entre sí y atraídos hacia los iones metálicos positivos descubiertos. Los electrones oscilan hacia adelante y hacia atrás de esta manera con la polaridad cambiante del campo electromagnético.

Diagnósticos ultrasensibles basados ​​en papel

Crucialmente, la longitud de onda particular que hace que los electrones libres vibren se puede sintonizar, por lo que el color amplificado por las MNP depende de su forma, tamaño y espaciado, así como el tipo de metal y medio circundante.

Como resultado, Hay varias formas de acoplar una reacción de prueba basada en papel a un cambio en el color de MNP.

"Puede producir MNP que se unan al analito, luego deje que estos fluyan en solución sobre los elementos de biorreconocimiento fijos en el papel, como los anticuerpos, que también se unen al analito. Una prueba positiva hará que los MNP se acumulen y, por lo tanto, cambie su espacio y entorno.

"Alternativamente, Las MNP pueden liberarse de una molécula de retención cuando esta reacciona con un analito.

"Algunos analitos pueden incluso erosionar las MNP, provocando un cambio de color directamente. Por ejemplo, amoniaco y otros compuestos volátiles del deterioro de los alimentos, o radiación ultravioleta por exposición al sol ".

El resultado:diagnósticos de papel ultrasensibles.

"Las MNP pueden producir cambios de color visibles incluso en concentraciones attomolares de analito, "confirma Morales-Narváez.

Eso es aproximadamente 30 moléculas por gota de muestra de prueba. Pero si la prueba en papel se lee con una máquina especial en lugar del ojo humano, la sensibilidad es aún mayor.

"Combinado con una técnica de escaneo llamada espectroscopia Raman, Las MNP pueden informar la detección de una sola molécula de analito ".

Con más de 10, 000 artículos de investigación que exploran el uso de MNP publicados solo en 2018, Puede que no pase mucho tiempo antes de que los dispositivos de diagnóstico en papel impulsados ​​por la física cuántica entren en la corriente principal.