Les tests de diagnostic sur papier sont bon marché, pratique et biodégradable. Cependant, leur utilisation est limitée par les colorants conventionnels - qui ne sont pas assez brillants pour montrer des traces d'analyte, sont sujets à la décoloration, et peut être toxique pour l'environnement.

Maintenant, les chercheurs utilisent la physique quantique pour surmonter ces limitations, dit une critique publiée dans Frontières de la bio-ingénierie et de la biotechnologie . Les propriétés optiques étranges de minuscules particules métalliques, plus petites que les ondes lumineuses, peuvent être capturées sur papier pour détecter même une seule molécule cible dans un échantillon de test. Ces dispositifs de test hypersensibles pourraient être assemblés et personnalisés au point d'utilisation dans des environnements à faibles ressources, avec des applications pratiquement illimitées couvrant la médecine, médecine légale, fabrication et la sécurité environnementale.

« Une nouvelle génération de dispositifs analytiques sur papier est en cours de développement, qui utilisent des nanoparticules métalliques pour l'identification des analytes, ", déclare l'auteur principal, le Dr Eden Morales-Narváez du Center for Optics Research au Mexique. "Ceux-ci permettront des tests à faible coût dans des environnements à faibles ressources, des cliniques aux scènes de crime en passant par les sources d'eau contaminées."

Les diagnostics papier sont intelligents mais pas brillants

Le papier est un support idéal pour pas cher, dispositifs de diagnostic accessibles - et a déjà parcouru un long chemin depuis les bandelettes de type test de grossesse qui mélangent simplement un échantillon avec un produit chimique de test.

« Les appareils en papier peuvent filtrer, concentrer et mélanger les réactifs avec une synchronisation et une séquence contrôlées - en utilisant des directives qui peuvent être notées, dessiné ou même imprimé dessus, " explique Morales-Narváez. " Certains groupes ont même utilisé l'origami pour faire varier le sens du flux et ajouter des étapes de traitement qui permettent des réactions dupliquées ou parallèles à l'aide d'un seul appareil papier."

La vraie difficulté vient de la lecture des résultats de ces tests sur papier.

« Les réactions d'essai sont configurées de sorte que si la substance d'intérêt ou « l'analyte » - un biomarqueur ou un polluant, par exemple - est présent dans un échantillon, un pigment coloré est produit ou altéré.

"Le problème est que les pigments conventionnels produisent des couleurs en absorbant sélectivement certaines longueurs d'onde et en réfléchissant simplement d'autres - par exemple, l'encre rouge apparaît rouge car elle absorbe fortement dans les régions spectrales bleues et vertes.

"Cela signifie que pour qu'un changement de couleur visible se produise, des quantités relativement importantes d'analyte sont nécessaires. En d'autres termes, le test n'est pas très sensible."

Pour empirer les choses, le résultat du test ne peut pas être enregistré en tant qu'enregistrement car les pigments sont sujets à la décoloration, et dans certains cas, ils ne peuvent pas être jetés en toute sécurité en raison de la toxicité des pigments.

Une solution de physique quantique

Ce dont les tests sur papier ont besoin, c'est d'un indicateur de couleur ultra-lumineux. Cue nanoparticules métalliques (MNP).

"Les MNP peuvent donner un plus lumineux, signal de couleur durable, car ils amplifient considérablement une longueur d'onde particulière de la lumière, plutôt que de simplement la refléter, " résume Morales-Narváez.

Comme le nom le suggère, Les MNP sont des morceaux de métal de la taille d'un nanomètre. À environ 10-100 fois plus petit que les ondes lumineuses, leur comportement entre dans le royaume étrange de la physique quantique.

"En termes simples :les métaux sont constitués d'un réseau fixe d'ions positifs, qui partagent un "nuage" d'électrons libres chargés négativement.

"Dans des morceaux de métal de taille nanométrique, certaines longueurs d'onde de la lumière font vibrer ces électrons libres par rapport aux ions positifs fixés dans le métal. Cette vibration amplifie la lumière, émettant une couleur plus vive."

Encore confus? Rappelez-vous que la lumière est un champ électromagnétique visible. Imaginez un cube de métal placé à l'intérieur de ce champ. électrons, étant chargé négativement, se déplacera vers le pôle positif du champ, découvrir des ions métalliques positifs au pôle négatif. Quand le champ est parti (ou plutôt quand il - l'onde lumineuse - oscille) les électrons se déplacent dans la direction opposée, repoussés les uns par les autres et attirés vers les ions métalliques positifs découverts. Les électrons oscillent d'avant en arrière de cette manière avec le changement de polarité du champ électromagnétique.

Diagnostic papier ultra-sensible

Surtout, la longueur d'onde particulière qui fait vibrer les électrons libres est réglable - la couleur amplifiée par les MNP dépend donc de leur forme, taille et espacement, ainsi que le type de métal et le milieu environnant.

Par conséquent, il existe différentes manières de coupler une réaction de test sur papier à un changement de couleur MNP.

"Vous pouvez créer des MNP qui se lient à l'analyte, puis laissez-les couler en solution sur des éléments de bioreconnaissance fixés sur le papier tels que des anticorps, qui se lient également à l'analyte. Un test positif entraînera l'accumulation des MNP et modifiera ainsi leur espacement et leur environnement.

« Alternativement, Les MNP peuvent être libérés d'une molécule de maintien lorsque celle-ci réagit avec un analyte.

"Certains analytes peuvent même éroder les MNP, provoquant directement un changement de couleur. Par exemple, l'ammoniac et d'autres composés volatils provenant de la détérioration des aliments, ou le rayonnement UV de l'exposition au soleil."

Le résultat :des diagnostics papier ultra-sensibles.

"Les MNP peuvent produire des changements de couleur visibles même à des concentrations atomiques d'analyte, " confirme Morales-Narváez.

Cela représente environ 30 molécules par goutte d'échantillon à tester. Mais si le test papier est lu par une machine spéciale plutôt que par l'œil humain, la sensibilité est encore plus élevée.

"Combiné à une technique de balayage appelée spectroscopie Raman, Les MNP peuvent signaler la détection d'une seule molécule d'analyte."

Avec plus de 10, 000 articles de recherche explorant l'utilisation des MNP publiés en 2018 seulement, il ne faudra peut-être pas longtemps avant que les dispositifs de diagnostic en papier alimentés par la physique quantique n'entrent dans le grand public.