2 années ago
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De la lumière pour détecter les maladies

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Sarah Bates, un spécialiste des affaires publiques à la US National Science Foundation (NSF), a contribué cet article à vivre de Sciences experts Voices: Op-Ed & Insights .

Tests de santé courants, tels que les tests de grossesse et de sucre dans le sang, impliquent de mettre une goutte de liquide sur une bande de test infusé avec une substance qui réagit avec une molécule spécifique. La bande agit comme un biocapteur simple, un dispositif qui détecte les produits chimiques avec l’aide de molécules biologiques telles que des protéines ou des enzymes. Les dispositifs fonctionnent, mais ils sont limités dans leur portée et peuvent être imprécises. Plus de tests de santé complexes nécessitent des réactions chimiques fastidieuses ou la culture bactérienne.

Les chercheurs financés par la Fondation nationale des sciences des États-Unis créent un nouveau biocapteur qui utilise la lumière laser, virus modifiés et les techniques de fabrication de pointe pour détecter plus rapidement et avec précision des molécules biologiques, dans les plus petites quantités possibles, dans les aliments, l’eau et même dans le sang humain. Et, ces biocapteurs de l’avenir peuvent ne plus être dans des boîtes en carton, mais en fibres tissées dans des vêtements.

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Ordre supérieur bleu biocapteur
Les chercheurs financés par la Fondation nationale des sciences des États-Unis créent un nouveau biocapteur qui utilise la lumière laser, virus modifiés et les techniques de fabrication de pointe pour détecter avec plus de précision les plus petites quantités possibles de molécules biologiques – dans notre nourriture, dans notre eau, et même dans notre propre sang . Montré ici est une vue en coupe transversale d’une cavité circulaire optique, ou résonateur, montrant modes de galerie TOTAL réfléchi intérieurement le long de la surface d’une fibre.
Crédit: Joe Cheeney, University of California-Riverside
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Whispering galeries de lumière

Le mécanisme de base derrière ces capteurs avancés repose sur un phénomène ancien.

Ingénieurs Elaine Haberer et Nosang Myung de l’Université de Californie-Riverside utilisent la lumière laser pour amplifier la détection de particules simples, une technique connue sous le nom chuchoter résonateurs de mode de galerie. [ Les capteurs de la peau de militaires américains pourrait révéler des Sciences de sueur ]

Whispering galeries qui impliquent son ont été autour pendant un certain temps. Des exemples célèbres comprennent Grand Central Terminal et la cathédrale Saint-Paul à Londres, où la géométrie en forme de dôme des chambres amplifie le murmure moindre aux auditeurs bien en dehors de portée de voix.

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Whispering galeries de travaux légers de la même façon, avec des vagues de photons voyageant dans un espace circulaire, une cavité optique. Toutes les particules au sein de ces cavités rencontrent les vagues des milliers, voire des millions, de fois, en changeant la lumière de façon subtile que les chercheurs peuvent détecter. La touche moderne-jour est en forme et le maquillage de la cavité.
électrofilature
Peu, sinon aucune, biocapteurs créés par électrofilage – la plupart des enzymes d’utilisation. Mais enzymes sont fragiles et ne durent pas longtemps à la température ambiante. Les virus ont plus de pouvoir rester. Des chercheurs de l’UC-Riverside montré ici est un schéma de la filamenteux M13 bacterophage, ou un virus, qui est utilisée pour organiser les éléments de bioreconnaissance d’un biocapteur développé par NSF-soutenu.
Crédit: Steven Garcia, de l’Université de Californie-Riverside
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Pour l’équipe de Riverside, la cavité est en fait une longue fibre fine qui a conçu M13 virus bactériophages noyé dans la masse. Le laser est dirigé perpendiculairement à la longueur de la fibre, l’activation du capteur.

« Tant que la cavité est circulaire et lisse, vous pouvez obtenir une galerie des murmures – vous pouvez même en créer un dans une goutte d’eau», a déclaré Haberer. «Le défi est de créer lisses, cavités durables tout simplement, de sorte qu’ils peuvent être utilisés à des fins différentes. »
Électrofilage
Électrofilage, crée longues, des fibres semblables à des poils en matière plastique, en métal ou en céramique. La lumière, ou champ électromagnétique, le profil des modes de galerie sont présentés propagent le long de la périphérie de trois résonateurs de fibres.
Crédit: Joe Cheeney, University of California-Riverside
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Cotton candy Electrified

Une technique pour la fabrication de ces cavités est connu comme électrofilage , ce qui crée longues, des fibres semblables à des poils en matière plastique, en métal ou en céramique.

Ce processus de fabrication des fibres est comme faire la barbe à papa « , a déclaré Myung, qui a travaillé avec nano-taille, structures biomanufactured depuis plus d’une décennie. » Vous avez une goutte de liquide. Spin il. Sort une longue fibre. Il est juste comme une machine à barbe à papa, sauf que vous appliquez des champs électriques pour filer vers le haut « , at-il dit.

M13-ribbonLe processus semble simple, mais seulement avec les récents progrès dans la fabrication des fibres peut maintenant être fait rapidement et à moindre coût. Le défi est de les rendre parfaitement lisse et à insérer les virus qui interagissent avec les molécules biologiques les ingénieurs veulent à détecter.

Myung et ses étudiants diplômés peuvent intégrer différents types de virus lors du filage qui permettra aux capteurs pour détecter différents types de molécules. Par exemple, une fibre peut détecter le glucose, le cholestérol, tandis qu’un autre sens.

« Il est comme faire la barbe à papa qui est d’une couleur différente», a déclaré Myung.

Utilisant des virus est une autre nouvelle approche pour la technologie des biocapteurs . Non seulement sont peu nombreux – le cas échéant – des biocapteurs créés par électrofilage, la plupart utilisent des enzymes . Mais enzymes sont fragiles et ne durent pas longtemps à la température ambiante, selon Haberer. Les virus ont plus de pouvoir rester.

« Les virus sont seulement des protéines entourant matériaux génétiques, de sorte qu’ils sont plus stables que des enzymes ou des anticorps, et nous pouvons emballer plus BIODÉTECTION molécules sur eux », a déclaré Haberer.

Des tests préliminaires montrent les virus résistent assez bien au processus d’électrofilage, mais il ya une certaine perte. Les chercheurs continuent d’améliorer le processus.
Whispering Gallery
Ingénieurs Elaine Haberer et Nosang Myung à l’Université de Californie-Riverside utilisent la lumière laser pour amplifier la détection de particules simples, une technique connue sous le nom chuchoter résonateurs de mode de galerie. Whispering galeries qui impliquent son ont été autour pendant un certain temps. Des exemples célèbres comprennent Grand Central Terminal et la cathédrale Saint-Paul à Londres, où la géométrie en forme de dôme des chambres amplifie le murmure moindre aux auditeurs hors de portée de voix. La touche moderne-jour est en forme et le maquillage de la cavité, ce qui amplifie la lumière à la place du son. Montré ici est une vue en coupe transversale d’une cavité circulaire optique, ou résonateur, montrant modes de galerie TOTAL réfléchi intérieurement le long de la surface.
Crédit: Joe Cheeney, University of California-Riverside
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(Laser) habitants de la cavité

L’objectif final est de regrouper densément ces fibres ensemble pour détecter de nombreuses molécules à la fois, et de le faire plus rapidement avec moins de fluide corporel que les méthodes conventionnelles. Cette même, seule goutte de sang pourrait constituer pour tout le matériel biologique que vous ou votre médecin voulez analyser.

« Rapide, sur place détection de biomolécules est critique pour les soins de santé, la surveillance environnementale, la sécurité alimentaire et la qualité», a déclaré Usha Varshney, directeur de programme à la Division de la NSF électrique, des Communications et Systèmes Cyber, qui finance la recherche. « Il ya une grande demande pour roman, technologies de capteurs de haute performance, capable de détecter de nombreuses biomolécules cibles au sein de petit volume d’échantillon à un coût réduit. »

Le projet fait partie d’une tendance plus large dans la recherche se fait à l’intersection des disciplines, des progrès significatifs provenant des endroits inattendus.
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«Ces matériaux de la cavité sont nouveaux; personne n’a fait cela auparavant », a déclaré Haberer. « Avec ces fibres, vous pouvez imaginer différents types de capteurs à l’avenir, sur différents types de surfaces, comme dans les vêtements. »

Pour le court terme, les cavités sont encore fragiles et mieux adapté à davantage de recherches en laboratoire. Les consommateurs devront attendre un long moment pour laser-alimenté, maillots de biocapteurs.

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Santé

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