Nuevo método para la detección ultrarrápida de coronavirus utilizando nanosensores

La capacidad de las partículas de oro para reflejar la luz en diferentes colores se usa en aplicaciones que van desde vidrieras hasta pruebas de embarazo. Ahora los investigadores están listos para explotar las mismas propiedades en un sensor ultrarrápido para el coronavirus.

Pasarnos hisopos por la nariz y la garganta para confirmar o negar si estamos infectados con el coronavirus; casi todos lo hemos hecho varias veces en los últimos años.

Los métodos que se han utilizado para detectar y prevenir la propagación del virus han sido los mismos en todo el mundo, ya sea:

• el método de PCR costoso, lento pero muy preciso en el que se detecta el ADN del virus en nuestras membranas mucosas, o
• el método más sencillo y rápido que solo indica si hemos desarrollado anticuerpos contra el virus.

Detección ultrarrápida

Sin embargo, ambos métodos tienen sus debilidades. El método de PCR es costoso y requiere mucho tiempo, mientras que el método de anticuerpos no nos dice nada sobre si realmente tenemos el virus en el cuerpo. Por lo tanto, sería útil una forma simple y asequible de detectar el virus que proporcione un resultado rápido.

Ahora, investigadores de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU), Oslomet y la Universidad de Tabriz en Azerbaiyán Oriental han demostrado un método para detectar coronavirus en muestras de sangre utilizando nanosensores.

“Muchas investigaciones se centran en encontrar métodos para aislar rápidamente a las personas infectadas, lo que puede romper la cadena de infección. Los nanosensores han recibido mucha atención debido a sus propiedades únicas para la detección ultrarrápida de partículas como los virus”, dice Amir Maghoul. . Es investigador y primer autor del artículo “An Optical Modeling Framework for Coronavirus Detection Using Graphene-Based Nanosensor”. Fue becario postdoctoral en NTNU cuando comenzó su trabajo.

Un primer paso en el camino hacia el desarrollo de un nanosensor separado para el coronavirus es identificar las propiedades ópticas que distinguen al coronavirus de otras partículas en nuestra sangre.

Ingve Simonsen, profesor de física en NTNU, explica.

La mayoría de las personas han visto el coronavirus representado como un núcleo redondo o una bola con “púas” rojas o tallos que sobresalen.

Queríamos ver qué papel juegan la longitud y el tamaño de estos “picos” en la forma en que las células reflejan la luz, así como si el tamaño del núcleo es importante”.

Ingve Simonsen, profesor de física en NTNU

Desplaza resonancia

Para encontrar respuestas a sus preguntas, los investigadores utilizaron modelos matemáticos. El comportamiento óptico del virus, es decir, cómo la célula del virus refleja la luz en forma de resonancia, se simuló y analizó en todo el espectro de luz.

“Observamos que la reflectividad variaba con la longitud de las proteínas de los picos. A medida que los picos se hacen más largos, la reflectividad disminuye al mismo tiempo que la resonancia cambia a longitudes de onda más altas”, dice Simonsen.

Los investigadores observaron la misma respuesta cuando variaron el tamaño del núcleo del virus en los modelos. El ancho de la proteína espiga tuvo menos efecto sobre cómo se reflejaba la luz. De esta forma, los investigadores podrían averiguar en qué parte del espectro de longitud de onda se diferencia el coronavirus de otras partículas en la sangre.

“En ciertas longitudes de onda, obtenemos una respuesta óptica diferente dependiendo de si hay virus presentes o no. A esto lo llamamos la firma óptica del coronavirus”, dice Simonsen.

“Sabemos que las propiedades ópticas de las partículas cambian dependiendo de su entorno. Se comportan de manera diferente si están en agua o en el vacío, si varias partículas están una al lado de la otra o si la superficie está cubierta por una fina capa de otra sustancia. .”

ejemplo de prueba de embarazo

La primera persona en describir en términos generales cómo las partículas esféricas reflejan las ondas de luz fue el científico alemán Gustav Mie en 1908.

“Es bien sabido que la luz ordinaria consiste en un espectro de longitudes de onda. Esto es lo que vemos cuando miramos un arco iris o cuando la luz pasa a través de un prisma de vidrio. La luz golpea las moléculas de agua en la atmósfera o el prisma y se refleja en las diversas longitudes de onda de la luz, que vemos como un espectro de colores”, dice Simonsen.

Mie mostró cómo las pequeñas esferas o núcleos reaccionan de manera diferente a la luz.

“Por ejemplo, las partículas de metal pequeñas tienen una respuesta óptica muy fuerte. Esta característica se usa en ciertos tipos de pruebas de embarazo que miden la respuesta óptica a las partículas de oro pequeñas”, dice Simonsen.

“La hormona que buscas en la orina, que solo tienes si estás embarazada, se acumula en la superficie de las partículas de oro en la varilla de prueba y cambia la frecuencia de resonancia de la partícula. El resultado es un cambio de color a azul, lo que demuestra que estás embarazada”.

Ejemplo de pintura de rosas

Otro ejemplo de cómo las partículas pequeñas reaccionan a la luz se puede ver en las vidrieras, como el gran rosetón de la Catedral de Nidaros. Los intensos colores rojo, azul y verde son el resultado de la respuesta óptica de las partículas de metal utilizadas en el vidrio. Y es esta propiedad la que se puede utilizar para detectar coronavirus en muestras de sangre.

“Lo que haces es colocar una red de partículas de oro delgadas y cilíndricas sobre una capa muy delgada de grafeno. El grafeno es un nanomaterial con muchas propiedades fascinantes, incluido el hecho de que conduce bien la electricidad y con poca pérdida”.

Cuando la sangre que contiene el coronavirus pasa sobre las partículas de oro, la frecuencia de resonancia de las partículas cambia, lo que a su vez crea un campo electromagnético. Este campo establece una corriente en el sensor que se puede medir fácilmente.

Al estudiar las curvas actuales para ciertos rangos de frecuencia de la luz entrante, podemos determinar si la sangre contiene coronavirus o no”, dice Simonsen.

Gran potencial para la nanotecnología

Los nanosensores tienen el potencial de ser muy sensibles. El material de grafeno “inteligente” en el nanodisco actúa como un amplificador, explica Amir Maghoul.

“La nanotecnología no se había utilizado antes para este tipo de sensor, por lo que este desarrollo es una tecnología nueva. Lo que hemos hecho aquí es crear el primer marco óptico para detectar el coronavirus y mostrar cómo se comporta el virus en el espectro óptico”, dice Maghoul. .

Ahora, el siguiente paso es establecer una empresa que pueda desarrollar un prototipo de laboratorio para el nanosensor.

“Necesitamos recaudar dinero para poder seguir adelante y desarrollar un sensor para uso común. La colaboración entre NTNU y Oslomet ha demostrado que tenemos instalaciones con un potencial significativo para desarrollar y producir este tipo de nanosensor para uso biomédico si el trabajo es apoyado financieramente”, dice Maghoul.