Grzechotka Browna pomoże znaleźć wirusy kryjące się w wodzie
Wykrywanie niezwykle rozcieńczonych cząstek w systemach nanofluidalnych jest utrudnione ze względu na powolną dyfuzję, która ogranicza szybkość, z jaką dana cząstka dociera do czujnika. W ramach finansowanego przez UE projektu MoViD naukowcy wykorzystali aktywny transport, aby skierować cząstki będące obiektem badań ku czujnikowi, potencjalnie osiągając wcześniej niemożliwe poziomy wrażliwości. Już 10 cząstek wirusa w litrze wody jest w stanie spowodować zakażenie, jednak wykrycie skażenia takimi ilościami jest niemożliwe. Zwykle próbki wody pitnej są wstępnie filtrowane i zagęszczane nawet 1 000-krotnie, aby znajdowała się w nich taka ilość cząstek wirusa, która zostanie wykryta dzięki śladowi genetycznemu.
Wrażliwość na stężenia w attomolach
Urządzenie koncepcyjne, opracowane przez Armina Knolla i jego zespół w IBM Research Europe w Szwajcarii, wykorzystuje kanały o nanoskalowych wymiarach, aby klasyfikować cząstki według rozmiaru przed ich aktywnym transportem do zbiorników wykrywania. To pozwala na osiągnięcie wrażliwości na stężenie w attomolach, co jest ekwiwalentem wykrycia litra barwnika wlanego do Morza Śródziemnego. „Aktywny transport pozwala wykryć wszystkie określone elementy w danej objętości płynu i przetransportować je do obszaru czujnika”, mówi Knoll. „Miejscowo zwiększamy stężenie cząstek o rzędy wielkości”. W tym celu zespół stworzył tzw. grzechoczący silnik Browna. Ruchy Browna to losowe, chaotyczne ruchy nanocząstek w roztworze, wywołanym zderzeniami cząsteczek roztworu z cząsteczkami wody. Silnik wykorzystuje wyżłobiony kształt na powierzchni urządzenia nanofuidowego, który pozwala tym cząstkom poruszać się w tylko jednym kierunku.
Krajobraz energetyczny
„Jeśli ograniczymy cząstkę geometrią grzechotki i powierzchnią szklaną, określony zostanie krajobraz energetyczny”, wyjaśnia Knoll. „Następnie stosujemy pole elektryczne, aby wytrącić cząstki z równowagi i zmusić je do ruchu”. Dzięki ostrożnej kalibracji napięcia zastosowanego w próbce, zespół mógł selektywnie poruszać cząstki o danym rozmiarze, skupiając się na etapie zwiększania stężenia cząstek wirusa. Proces jest podobny do potrząsania słoikiem pełnym różnych orzechów, w którym największe orzechy przesuwają się na górę słoika, a najmniejsze opadają na dno. „W ciągu 1 godziny możemy wychwycić każdy wirus w próbce o objętości 5 mikrolitrów”, zauważa Knoll. Zespół wykorzystuje także metody optyczne opierające się na mikroskopii interferometrycznej w celu wykrycia skoncentrowanych wirusów i określenia ich liczby. Ponadto, gdy cząstki wirusa są skoncentrowane, można je odzyskać z urządzenia nanofluidowego w celu dalszego przetwarzania.
Nowe granice
Projekt był wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. „Bez funduszy nie bylibyśmy w stanie rozpocząć prac w tym kierunku”, mówi Knoll. „Czynimy postępy, ale jeszcze nie osiągnęliśmy celu. Możemy wykryć wirusy, ale jeszcze nie potrafimy wykazać ich stężenia”. Naukowiec dodaje: „Teraz chcemy odkryć granice tego, co możemy wykryć, co możemy zbudować i wrażliwości, jaką możemy osiągnąć”. Prace mają pomóc w wyjaśnieniu, jak wirusy rozprzestrzeniają się w środowisku, zapewnić stałe monitorowanie dróg wodnych bez czasochłonnego procesu koncentrowania i analizy genetycznej. Zespół rozważa również możliwość wykrywania wirusów w bardziej złożonych płynach, takich jak krew.
Słowa kluczowe
MoViD, wirus, rozcieńczyć, attomolowy, roztwór, ruchy Browna, grzechotka, interferometryczny, elektryczny, pole
