Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các tính chất quang học kỳ quái của các hạt kim loại nhỏ – nhỏ hơn sóng ánh sáng – có thể được ghi lại trên giấy để phát hiện ngay cả một phân tử mục tiêu trong mẫu thử. Các thiết bị kiểm tra siêu nhạy này có thể được lắp ráp và tùy chỉnh tại điểm sử dụng trong môi trường tài nguyên thấp, với các ứng dụng gần như vô hạn bao gồm y học, pháp y, sản xuất và an toàn môi trường.
Bây giờ các nhà nghiên cứu đang sử dụng vật lý lượng tử để khắc phục những hạn chế này, cho biết một đánh giá được công bố trên Frontiers in Bioengineering and Biotech . Các tính chất quang học kỳ quái của các hạt kim loại nhỏ – nhỏ hơn sóng ánh sáng – có thể được ghi lại trên giấy để phát hiện ngay cả một phân tử mục tiêu trong mẫu thử. Các thiết bị kiểm tra siêu nhạy này có thể được lắp ráp và tùy chỉnh tại điểm sử dụng trong môi trường tài nguyên thấp, với các ứng dụng gần như vô hạn bao gồm y học, pháp y, sản xuất và an toàn môi trường.
Tiến sĩ Eden Morales Narvaz thuộc Trung tâm nghiên cứu quang học ở Mexico cho biết: “Một thế hệ mới của các thiết bị phân tích dựa trên giấy đang được phát triển, sử dụng các hạt nano kim loại để nhận dạng chất phân tích”. “Những điều này sẽ cho phép thử nghiệm chi phí thấp trong môi trường tài nguyên thấp từ các phòng khám đến hiện trường vụ án đến các nguồn nước bị ô nhiễm.”
Giấy là một phương tiện lý tưởng cho các thiết bị chẩn đoán rẻ tiền, dễ tiếp cận – và đã đi một chặng đường dài từ các dải kiểu thử thai mà chỉ cần trộn một mẫu với hóa chất xét nghiệm.
“Các thiết bị giấy có thể lọc, cô đặc và trộn các thuốc thử với thời gian và trình tự được kiểm soát bằng cách sử dụng các hướng dẫn có thể ghi, vẽ hoặc thậm chí in trên đó”, Morales Narvaez giải thích. “Một số nhóm thậm chí đã sử dụng origami để thay đổi hướng dòng chảy và thêm các bước xử lý cho phép các phản ứng phức tạp, trùng lặp hoặc song song hơn bằng cách sử dụng một thiết bị giấy.”
Khó khăn thực sự đến từ việc đọc kết quả của các bài kiểm tra trên giấy này.
“Các phản ứng thử nghiệm được thiết lập sao cho nếu chất quan tâm hoặc ‘chất phân tích’, ví dụ như một dấu ấn sinh học hoặc chất gây ô nhiễm có trong một mẫu, một sắc tố màu được tạo ra hoặc thay đổi.
“Vấn đề là các sắc tố thông thường tạo ra màu sắc bằng cách hấp thụ có chọn lọc một số bước sóng và chỉ đơn giản là phản xạ các màu khác, ví dụ mực đỏ xuất hiện màu đỏ vì nó hấp thụ mạnh ở vùng phổ màu xanh lam và xanh lục.
“Điều này có nghĩa là để thay đổi màu có thể nhìn thấy xảy ra, cần một lượng chất phân tích tương đối lớn. Nói cách khác, thử nghiệm không nhạy lắm.”
Để làm cho vấn đề tồi tệ hơn, kết quả xét nghiệm không thể được lưu dưới dạng hồ sơ vì các sắc tố dễ bị phai màu, và trong một số trường hợp không thể loại bỏ một cách an toàn vì độc tính của sắc tố.
Những gì các bài kiểm tra trên giấy cần là một chỉ báo màu siêu sáng. Hạt nano kim loại (MNPs).
“Các MNP có thể cho tín hiệu màu sáng hơn, bền hơn, vì chúng khuếch đại đáng kể một bước sóng ánh sáng cụ thể thay vì chỉ phản xạ lại nó,” Morales Narvaez tổng hợp.
Như tên cho thấy, MNP là những mảnh kim loại có kích thước nanomet. Với kích thước nhỏ hơn khoảng 10 – 100 lần so với sóng ánh sáng, hành vi của chúng đi vào cõi lạ của vật lý lượng tử.
“Nói một cách đơn giản: các kim loại bao gồm một mạng lưới các ion dương cố định, có chung một” đám mây “các electron tự do tích điện âm.
“Trong các mảnh kim loại có kích thước nanomet, một số bước sóng ánh sáng nhất định làm cho các electron tự do này rung động so với các ion dương cố định trong kim loại. Rung động này khuếch đại ánh sáng, phát ra màu sáng hơn.”
Vẫn còn bối rối? Hãy nhớ rằng ánh sáng là một trường điện từ nhìn thấy được. Hãy tưởng tượng một khối kim loại được đặt bên trong lĩnh vực này. Các electron, được tích điện âm, sẽ di chuyển đến cực dương của trường, phát hiện ra các ion kim loại dương ở cực âm. Khi trường không còn (hay đúng hơn là – sóng ánh sáng – dao động), các electron di chuyển theo hướng ngược lại, bị đẩy lùi và thu hút trở lại các ion kim loại dương không được phát hiện. Các electron dao động qua lại theo cách này với sự phân cực thay đổi của trường điện từ.
Điều quan trọng là bước sóng đặc biệt làm cho các electron tự do dao động có thể điều chỉnh được, vì vậy màu sắc được khuếch đại bởi MNPs phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và khoảng cách của chúng, cũng như loại kim loại và môi trường xung quanh.
Kết quả là, có nhiều cách khác nhau để kết hợp phản ứng thử nghiệm trên giấy với sự thay đổi màu sắc của MNP.
“Bạn có thể tạo ra các MNP liên kết chất phân tích, sau đó cho các dòng này vào dung dịch trên các yếu tố nhận thức sinh học cố định trên giấy như kháng thể, cũng liên kết chất phân tích. Thử nghiệm dương tính sẽ khiến các MNP tích tụ và do đó thay đổi khoảng cách và môi trường xung quanh.
“Ngoài ra, các MNP có thể được giải phóng khỏi một phân tử giữ khi chất này phản ứng với chất phân tích.
“Một số chất phân tích thậm chí có thể làm xói mòn các MNP, gây ra sự thay đổi màu sắc trực tiếp. Ví dụ, amoniac và các hợp chất dễ bay hơi khác do hư hỏng thực phẩm hoặc bức xạ UV từ ánh nắng mặt trời.”
Kết quả: chẩn đoán giấy siêu nhạy cảm.
“MNPs có thể tạo ra sự thay đổi màu sắc có thể nhìn thấy ở nồng độ chất phân tích chẵn,” Morales Narvaez xác nhận.
Đó là khoảng 30 phân tử cho mỗi giọt mẫu thử. Nhưng nếu bài kiểm tra giấy được đọc bởi một máy đặc biệt chứ không phải mắt người, độ nhạy thậm chí còn cao hơn.
“Kết hợp với một kỹ thuật quét gọi là phổ Raman, các MNP có thể báo cáo phát hiện một phân tử phân tích duy nhất.”
Với hơn 10.000 bài báo nghiên cứu về việc sử dụng MNP được xuất bản vào năm 2018, có thể không lâu sau khi các thiết bị chẩn đoán giấy chạy bằng vật lý lượng tử đi vào dòng chính.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Frontiers . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :