Это открытие последовало за годами новаторской работы Арнольда, который в 1995 году обнаружил, что оптическое волокно может возбуждать то, что он назвал режимом шепчущей галереи (WGM), в полимерных микрошариках размером менее одной трети диаметра человеческого волоса. Дальнейшие открытия и патенты привели к созданию биосенсоров WGM, способных измерять массу вирусов, белков и других наночастиц, отправляя их на орбиту, подобную космическому кораблю, вокруг микрошарика, благодаря фотонному «тяговому лучу», создаваемому резонирующим светом. Затем Арнольд и его сотрудники разработали способ сделать эти биосенсоры WGM достаточно чувствительными, чтобы идентифицировать даже мельчайшие отдельные биочастицы от РНК-вируса MS2 до отдельных молекул до 6 зептограмм (6×10-21 грамм), что ниже массы всех известных видов рака. маркеры.
Многие компании, в том числе Genalyte, используют биосенсоры WGM в диагностических продуктах, которые могут выполнять десятки биологических анализов за считанные минуты.Теперь Арнольд и его команда из Лаборатории фотофизики микрочастиц для биофотоники (MP3L) Нью-Йоркского университета Тандона первыми нашли способ определить плотность зарядов на участке поверхности микробусин WGM, а также заряд захваченной наночастицы. или вирус, измеряя, как колеблется частота света, когда крошечная частица следует своим колеблющимся курсом вокруг сферы.
Это открытие может позволить исследователям и производителям не просто идентифицировать наночастицы, но и манипулировать ими.Арнольд, который также является сотрудником отдела химической и биомолекулярной инженерии Отмера-Джейкобса в Нью-Йоркском университете, и его коллеги-исследователи, включая Джеховани Лопеса, казначея Эшана, Кейтлинн Снайдер и Дэвида Кенга, недавно опубликовали свои выводы в журнале Applied Physics Letters.
Биосенсор WGM, который Арнольд назвал в честь знаменитой Галереи Шепота в куполе собора Святого Павла в Лондоне, представляет собой устройство размером с небольшой смартфон, состоящее из настраиваемого лазера, направляемого по специально обработанной оптоволоконной нити с детектором на дальнем конце. конец нити, измеряющий интенсивность и резонанс света. Крошечная бусинка из кремнезема рядом с нитью накала отклоняет часть светового луча, который начинает резонировать внутри бусинки так же, как звук резонирует под куполом церковной галереи, в честь которой названо это явление.В то время как способность биосенсора WGM идентифицировать отдельные наночастицы привела к высокочувствительным измерительным возможностям, последнее открытие Арнольда может сделать возможными биосенсоры, адаптированные к очень специфическим приложениям, от носимых датчиков для солдат и спасателей, предназначенных для обнаружения чрезвычайно низких концентраций предположительно переносимого по воздуху нервно-паралитического агента, до пути повышения эффективности поглощения и перераспределения лекарств в виде наночастиц.«Заряд контролирует способность переносить частицы, которые взаимодействуют с клетками и другими объектами, обладающими электрическими полями», — сказал он. «Например, определяя заряд вируса, вы можете понять, как он может быть доставлен к поверхности клетки.
Вам необходимо понять этот механизм, чтобы создать микробусину WGM, которая имеет определенный антиген в определенной области его поверхность, так что биосенсор может привлекать определенные патогены или другие биомолекулы ».Арнольд и команда MP3L смогли извлечь электростатическую силу между вращающейся наночастицей и поверхностью стеклянной бусины с помощью экспериментов, основанных на наблюдении, что наноорбитальное явление требует почти баланса между электростатической силой и известной силой оптического тянущего луча. так же, как весы уравновешивают силу пружины и вес вашего тела.«Разница в силе измеряемой силы чрезвычайно мала», — сказал Арнольд, объяснив, что измеренная электростатическая сила, участвующая в удержании наночастицы на орбите, составляла всего 0,00000000000003 (3×10-14) фунта. «При наличии этой силы и заряд наночастицы, и плотность заряда микрополости могут быть рассчитаны с помощью серии экспериментов».
Затем команда планирует использовать это открытие для разработки технологии «фотонной печати» — способности быстро создавать многочисленные биосенсоры WGM для конкретных задач с определенными молекулами, прикрепленными к определенным участкам микробусин.