Le professeur d'université de physique appliquée Stephen Arnold et son équipe de la New York University Tandon School of Engineering ont fait une découverte qui pourrait conduire à des dispositifs de biocapteur de type Star Trek capables de signaler la moindre présence dans le sang d'un virus ou d'un anticorps spécifique, ou un marqueur protéique pour un cancer spécifique; ou renifler les agents de guerre chimique en suspension dans l'air alors qu'ils sont encore bien en deçà des niveaux toxiques.

La découverte fait suite à des années de travail révolutionnaire d'Arnold, qui en 1995 a découvert qu'une fibre optique pouvait exciter ce qu'il a appelé Whispering Gallery Mode (WGM) dans des microbilles de polymère de moins d'un tiers du diamètre d'un cheveu humain. D'autres découvertes et brevets ont conduit à des biocapteurs WGM capables de mesurer la masse de virus, protéines et autres nanoparticules en les envoyant en orbite de type vaisseau spatial autour de la microbille, grâce à un "faisceau tracteur" photonique provoqué par la lumière résonante. Arnold et ses collaborateurs ont ensuite conçu un moyen de rendre ces biocapteurs WGM suffisamment sensibles pour identifier même les plus petites bioparticules individuelles du virus à ARN MS2 à des molécules simples jusqu'à 6 zepto-grammes (10 à 21 grammes), en dessous de la masse de tous les marqueurs cancéreux connus. De nombreuses entreprises, dont Genalyte, utilisent des biocapteurs WGM dans des produits de diagnostic qui peuvent effectuer des dizaines d'essais biologiques en quelques minutes.

Maintenant, Arnold et son équipe du MicroParticle PhotoPhysics Laboratory for BioPhotonics (MP3L) de NYU Tandon sont les premiers à trouver un moyen de déterminer la densité de charges sur une zone de la surface d'une microbille WGM, ainsi que la charge d'une nanoparticule ou d'un virus piégé, en mesurant la fluctuation de la fréquence de la lumière au fur et à mesure que la minuscule particule suit son cours bancal autour de la sphère. Cette découverte pourrait permettre aux chercheurs et industriels non seulement d'identifier des nanoparticules, mais pour les manipuler.

Arnold, qui est également membre du département Othmer-Jacobs de génie chimique et biomoléculaire à NYU, et ses collègues chercheurs, dont Jehovani Lopez, Eshan trésorier, Kaitlynn Snyder, et David Keng, ont récemment publié leurs conclusions dans Lettres de physique appliquée .

Le biocapteur WGM, qu'Arnold a nommé pour la célèbre Whispering Gallery dans le dôme de la cathédrale Saint-Paul de Londres, est un appareil de la taille d'un petit smartphone comprenant un laser accordable guidé vers le bas d'un filament de fibre optique spécialement traité avec un détecteur à l'extrémité du filament mesurant l'intensité et la résonance de la lumière. Une minuscule perle de silice à côté du filament détourne une partie du faisceau lumineux, qui commence à résonner dans le bourrelet comme le son résonne sous le dôme de la galerie de l'église d'où le phénomène porte son nom.

Alors que la capacité du biocapteur WGM à identifier des nanoparticules individuelles a conduit à des capacités de mesure très sensibles, La dernière découverte d'Arnold pourrait rendre possibles des biocapteurs adaptés à des applications très spécifiques, des capteurs portables pour les soldats et les sauveteurs conçus pour détecter des concentrations extrêmement faibles d'un agent neurotoxique suspecté en suspension dans l'air, aux moyens d'accroître l'efficacité de l'absorption et de la redistribution des médicaments à base de nanoparticules.

"La charge contrôle la capacité de transporter des particules qui interagissent avec des cellules et d'autres objets qui possèdent des champs électriques, " dit-il. " En déterminant la charge d'un virus, par exemple, vous pouvez comprendre comment il peut être transporté à la surface de la cellule. Vous devez comprendre ce mécanisme afin de concevoir une microbille WGM qui a un antigène spécifique dans une région spécifique de sa surface afin que le biocapteur puisse attirer des agents pathogènes spécifiques ou d'autres biomolécules. »

Arnold et l'équipe MP3L ont pu extraire la force électrostatique entre la nanoparticule en orbite et la surface de la perle de verre grâce à des expériences basées sur l'observation que le phénomène nano-orbital nécessite un équilibre proche entre la force électrostatique et la force optique connue du faisceau tracteur. , tout comme une balance équilibre la force d'un ressort contre le poids de votre corps.

"La différence dans la force de la force mesurée est extraordinairement petite, " dit Arnold, qui a expliqué que la force électrostatique mesurée impliquée dans le maintien d'une nanoparticule en orbite n'était que de 0,00000000000003 (3x10 ^-14 ) livres sterling. "Avec cette force en main, la charge sur la nanoparticule et la densité de charge de la microcavité pourraient être calculées grâce à une série d'expériences."

L'équipe prévoit ensuite d'utiliser la découverte pour développer une technologie pour « l'impression photonique, " la possibilité de créer rapidement de nombreux biocapteurs WGM spécifiques à des tâches, avec des molécules spécifiques attachées à des zones spécifiques de la microbille.