_ Teste rapide precise efectuate din hârtie inteligentă de grafen

Testele rapide de sarcină și COVID-19 au un mare avantaj față de alte analize medicale: sunt atât de simple încât oricine poate efectua singur testul, practic oriunde. Acest lucru se datorează principiului robust din spatele acestor metode microfluidice, prin care soluțiile apoase difuzează printr-o bandă de testare de hârtie cu ajutorul forțelor capilare. În timpul acestui proces, anticorpii captează substanțele țintă, cum ar fi particulele de virus sau hormonii de sarcină, și le concentrează într-un loc dorit. Un sistem de colorare face apoi lent substanța țintă din ce în ce mai concentrată vizibilă ca o dungă.

Oricât de simplu și de fiabil este acest principiu de bază, evaluarea vizuală a rezultatelor poate fi dificilă. Întrebarea dacă într-adevăr putem vedea o linie sau dacă doar ne imaginăm aceasta a fost probabil în toate mintea noastră cel puțin o dată de la izbucnirea pandemiei de COVID-19.

Tot acesta este locul unde intervine invenția echipei ETH. Ei au găsit o modalitate de a forma electrozi conductivi direct în interiorul hârtiei de test. Pe măsură ce substanța țintă este capturată, aceasta declanșează un semnal electronic. Acest lucru face măsurătorile mult mai rapide, mai sensibile și mai precise.

Chih-Jen Shih și Andrew deMello împărtășesc o pasiune: „Cel mai mare stimulent al nostru este îmbunătățirea experimentelor chimice și biologice de bază în moduri care creează noi oportunități științifice. " Este exact ceea ce grupurile lor de cercetare au reușit acum să facă cu testele rapide.

O serie de aplicații analitice beneficiază de faptul că cercetătorii combină microfluidica pe hârtie simplă și rentabilă cu sensibilitatea și acuratețea tehnici electronice de măsurare. De la pacienții care pot monitoriza ei înșiși biomarkerii de sânge, până la prelevarea de probe de sol, aer și apă pe teren, până la testarea bolilor în părți îndepărtate ale lumii în câteva minute — gama potențială de aplicații acoperă practic toate analizele chimice, biologice și medicale. care pot fi realizate în soluții apoase.

Încercarile anterioare de a echipa chimia hârtiei ieftine cu electrozi de detectare au fost îngreunate de o proprietate fundamentală a materialelor conductoare: în principiu, conductorii electrici interacționează cu greu cu apa și acționează ca o barieră atunci când vine vorba de fluxul de probe și amestecuri de reacție într-o bandă de hârtie.

Depășirea acestui obstacol și dezvoltarea tehnologiei într-un proces de încredere care funcționează și în zonele mai puțin dezvoltate ale lumii a necesitat o combinație de aptitudini, spune deMello. Pentru noul test rapid, cercetătorii ETH și-au pus în comun expertiza. Din grupul lui Shih a venit cunoștințele de a genera conductivitate direct în hârtie, în timp ce grupul lui deMello și-a adus cunoștințele despre sistemele microfluidice.

Baza pentru această invenție este utilizarea unui laser pentru a converti polimerii de zahăr care formează celuloza din hârtie în grafen. Această formă specială de carbon este conductivă și este considerată un material electronic al viitorului.

În timpul conversiei cu laser, moleculele de celuloză sunt descompuse în elementele lor, carbon, oxigen și hidrogen, într-un proces comparabil cu caramelizarea. de zahăr de uz casnic. Cu toate acestea, în timp ce încălzirea zahărului într-o tigaie pentru o lungă perioadă de timp lasă în urmă doar carbon obișnuit, care nu conduce curentul electric, oamenii de știință ETH Zurich au reușit să folosească laserul pentru a reorganiza atomii de carbon ai celulozei în grafen conductor.

Numai producerea grafenului în hârtie celulozică nu ar fi soluția, pentru că – ca practic toate celelalte materiale conductoare – acest material miraculos este hidrofob: respinge apa, ceea ce înseamnă că apa nu poate curge pur și simplu prin el. Cu toate acestea, prin reglarea inteligentă a energiei laser, cercetătorii pot controla descompunerea celulozei în grafen, astfel încât nu numai că se păstrează porozitatea originală a celulozei, dar grupurile individuale de oxigen ale celulozei rămân intacte pe suprafața zonelor de grafen.

Aceste grupări de oxigen pot interacționa cu moleculele de apă și astfel asigură umectarea în electrozi, practic la egalitate cu restul hârtiei. În plus, moleculele reporter pot fi, de asemenea, legate chimic de aceste grupe de oxigen. În acest fel, un semnal electronic este generat de îndată ce o particulă de virus interacționează cu un anticorp de detectare de pe electrod.

Cercetătorii au reglat energia laserului în două moduri principale: au tratat hârtia cu retardanți de flacără pentru a previne carbonizarea completă a energiei laser sau chiar arderea celulozei. În plus, au redus puterea laserului și au folosit mai multe impulsuri, care au pus mai puțină energie pe unitate de suprafață în hârtie.

Cu toate acestea, Shih și deMello nu s-au mulțumit să demonstreze științific principiul electrozilor de hârtie. . Mai degrabă, aspirația lor era să dezvolte un produs care să poată fi folosit în practică. În acest scop, au implementat principiul în aplicații practice și au simplificat masiv producția de benzi de hârtie analitică. Este nevoie deja de doar 90 de minute pentru a produce 176 de senzori dintr-o coală de hârtie A4 — la un cost unitar de doar 0,02 dolari.

Pentru Shih, mediul de la ETH Zurich a jucat un rol decisiv în invenție: „ Facem parte din Departamentul de Chimie și Bioștiințe Aplicate. În calitate de ingineri, suntem direct inspirați de cercetările de ultimă oră care se desfășoară în jurul nostru."

Cum își vor face invenția cei doi ingineri chimiști. disponibilă societății și pieței, acesta nu a fost încă determinat. Având în vedere gama enorm de largă de aplicații posibile, un model de licențiere ar putea avea sens. Dar și în acest sens, oamenii de știință se pot baza pe mediu de la ETH Zurich. deMello spune: „Oamenii de la ETH transfer au multă experiență în protejarea proprietății intelectuale și în negocierea acordurilor de licență.”

Indiferent de modul în care invenția își va găsi drumul în produsele concrete, concluzia este că nenumăratele este posibil ca oamenii din întreaga lume să beneficieze de această inovație ETH. De la terapii medicale mai eficiente la agricultura mai eficientă și monitorizarea fără întreruperi a infecțiilor — încorporarea electrozilor direct în benzile de testare duce capacitățile fluidicii hârtiei la un nou nivel.

(Fluierul)