"Whispering Gallery" des Lichtes spricht laut bei Krankheit-Erkennung (Op-Ed)

Sarah Bates, Spezialist für Öffentlichkeitsarbeit bei der US National Science Foundation (NSF), trug dieses Artikels Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Gemeinsamen Gesundheitstests, wie Schwangerschaft und Blutzucker-Tests beinhalten, einen Tropfen Flüssigkeit auf einen Teststreifen infundiert mit einer Substanz, die mit einem bestimmten Molekül reagieren wird. Der Streifen wirkt wie eine einfache Biosensor, ein Gerät, das Chemikalien mit Hilfe von biologischen Molekülen wie Proteinen oder Enzymen erkennt. Die Geräte arbeiten, sondern sind in ihrem Umfang begrenzt und kann ungenau sein. Komplexere Gesundheitstests erfordern aufwändige chemische Reaktionen oder Bakterienkultur.

Forscher von der US National Science Foundation finanziert schaffen eine neue Biosensor, dass Verwendungen-Licht, veränderte Viren Laser und moderne Fertigungstechniken, genauer und schnell erkennen biologische Moleküle, in kleinsten Mengen möglich, in der Nahrung, Wasser und sogar im menschlichen Blut. Und solche Biosensoren der Zukunft möglicherweise nicht mehr in Kartons, aber in den Fasern in Kleider gewebt.

Galerien von Licht Flüstern

Der grundlegende Mechanismus hinter solchen Sensoren stützt sich auf ein altes Phänomen.

Ingenieure Elaine Haberer und Nosang Myung von der Universität von California-Riverside verwenden Laserlicht, um die Erkennung der einzelnen Partikel einer Technik bekannt als Flüstern Galerie Modus Resonatoren verstärken. [US-Militär Haut Sensoren könnte Wissenschaft der Schweiß zeigen]

Flüsternde Galerien, bei denen Klang gibt es schon eine Weile. Berühmte Beispiele sind Grand Central Terminal und St. Pauls Cathedral in London, wo die gewölbte Geometrie der Zimmer das leiseste Flüstern Zuhörern gut außerhalb der Hörweite verstärkt.

Flüsternde Galerien des Lichts arbeiten ähnlich, mit Wellen von Photonen in einem kreisförmigen Raum, einem optischen Resonator Reisen. Keine Partikel in diese Hohlräume zu begegnen, die Wellen Tausenden oder sogar Millionen von Zeiten, ändern das Licht auf subtile Weise, die Forscher erkennen kann. Die moderne Wendung ist in der Form und Make-up der Kavität.

Für das Riverside-Team ist der Hohlraum eigentlich eine lange, dünne Faser, die M13 Bakteriophagen Viren eingebettet in ihm entwickelt hat. Der Laser ist gerichtete senkrecht auf die Länge der Faser, den Sensor zu aktivieren.

"So lange, wie die Kavität kreisförmigen und glatt ist, erreichen Sie eine flüsternde Galerie – Sie können sogar in einem Wassertropfen erstellen" Haberer sagte. "Die Herausforderung ist einfach, glatt, langlebige Hohlräume zu erstellen, damit sie für verschiedene Zwecke verwendet werden können."

Elektrifizierte Zuckerwatte

Eine Technik zur Herstellung von solche Hohlräume ist bekannt als Elektrospinnen, die lange schafft, hairlike Fasern aus Kunststoff, Metall oder Keramik hergestellt.

Diese Faser-Entscheidungsprozess ist wie Zuckerwatte,"sagte Myung, der seit mehr als einem Jahrzehnt mit Nano-Größe, biotechnologisch Strukturen gearbeitet hat. "Du hast einen Tropfen Flüssigkeit. Drehen Sie es. Heraus kommt eine lange Faser. Es wie eine Zuckerwatte-Maschine, außer Sie elektrische Felder um es hochdrehen gelten ", sagte er.

Das Verfahren klingt einfach, aber nur mit den jüngsten Fortschritten bei der Herstellung können die Fasern nun schnell und kostengünstig vorgenommen werden. Die Herausforderung ist, vollkommen glatt machen und die Viren einzufügen, die mit den biologischen Molekülen interagieren, die die Ingenieure erkannt werden sollen.

Myung und seine Studenten können verschiedene Arten von Viren während der Spinnerei integrieren, die es die Sensoren zur Erkennung von verschiedenen Arten von Molekülen ermöglichen. Zum Beispiel könnte eine Faser Glukose, erkennen, während andere Cholesterin spürt.

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"Es ist wie Zuckerwatte, die eine andere Farbe, so dass" Myung sagte.

Mit Viren, ist ein weiterer neuer Ansatz für Biosensorik. Sind nicht nur wenige — wenn überhaupt — Biosensoren durch Elektrospinnen, erstellt am häufigsten verwendeten Enzyme. Aber Enzyme sind zerbrechlich und dauern nicht lange bei Raumtemperatur nach Haberer. Viren haben mehr Durchhaltevermögen.

"Viren sind nur Protein umgebenden genetischen Materials, also sind sie stabiler als Enzyme oder Antikörper, und wir mehr Biosensoren Moleküle auf sie verpacken", sagte Haberer.

Vorläufige Tests zeigen die Viren halten ziemlich gut gegen den Elektrospinnen Prozess, aber es gibt einige Verlust. Die Forscher weiterhin den Prozess zu optimieren.

(Laser) Hohlraum Bewohner

Das letztendliche Ziel ist es, dicht bündeln diese Fasern zusammen, viele Moleküle gleichzeitig zu spüren, und so schneller mit weniger Körperflüssigkeit als herkömmliche Methoden zu tun. Das gleiche, einzelne Tropfen Blut könnte das biologische Material bieten, das Sie oder Ihr Arzt möchte analysieren.

"Schnelle, vor-Ort-Erkennung von Biomolekülen für Gesundheitswesen, Umweltüberwachung, Lebensmittelsicherheit und Qualität von entscheidender Bedeutung", sagte Usha Varshney, Programm-Direktor in der NSF Division of Electrical, Kommunikation und Cyber-Systeme, die die Forschung finanziert. "Es gibt eine große Nachfrage nach neuartigen, leistungsstarken Sensortechnologien, in der Lage zu erkennen, dass viele Biomoleküle innerhalb geringes Probenvolumen zu einem reduzierten Preis abzielen."

Das Projekt ist Teil eines allgemeinen Trends in der Forschung an der Schnittstelle von Disziplinen, mit bedeutende Fortschritte, die aus unerwarteten Orten geschieht.

"Diese Kavität Materialien sind Roman; Niemand hat das schon getan", sagte Haberer. "Mit diesen Fasern können Sie verschiedene Arten von Sensoren in der Zukunft auf verschiedene Arten von Oberflächen, wie in der Kleidung vorstellen."

Kurzfristig sind die Hohlräume noch zerbrechlich und am besten geeignet für weitere Labor-Forschung. Verbraucher müssen warten, eine ganze Weile für Laser-powered, Biosensoren passt.

Erfahren Sie mehr über andere NSF finanzierte, Licht-fähige Technologien finden Sie auf NSF.gov/light.

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