Работа с наночастицами может привести к созданию «мгновенного» детектора вирусов
Химические инженеры из Университета в Буффало совместно с учеными из других учреждений решили ключевую проблему транспортировки и захвата вирусных наночастиц. Это открывает путь к созданию устройства для быстрого отбора проб и обнаружения инфекционных биологических агентов, таких как вирусы.
«Это достижение может проложить путь к "мгновенному" детектору вирусов, который был бы чрезвычайно полезен, особенно в военных и медицинских приложениях», — заявил Паскалис Александридис, профессор кафедры химической и биологической инженерии в Школе инженерии и прикладных наук Университета в Буффало и соавтор исследования.
Статья с результатами была опубликована в мартовском выпуске журнала Langmuir (том 23, стр. 3840).
Быстрое обнаружение вирусов в биологических образцах представляет растущий интерес, особенно с недавним появлением новых вирусов, таких как SARS, вирус Западного Нила и вирус птичьего гриппа.
Однако из-за крайне низкой концентрации вирусных частиц в биологических образцах (например, в крови) создание быстрого и простого в использовании детектора оставалось трудной задачей.
Типичные процедуры используют пассивную диффузию для связывания вирусных частиц с антителом — медленный процесс, непригодный для многих применений, например, на поле боя, где критически важны быстрые результаты.
Ученые из Университета Висконсина в Мэдисоне под руководством Николаса Л. Эбботта ранее продемонстрировали, что жидкие кристаллы могут усиливать сигналы от низких концентраций вирусных частиц, быстро указывая на наличие вируса на поверхности.
«Проблемой было то, как быстро транспортировать и захватить достаточное количество предполагаемых вирусных частиц на поверхность для их обнаружения», — пояснил Александридис. «Во время острой фазы инфекции концентрация вируса очень низка, и полагаться на пассивную диффузию для осаждения частиц на детектирующую поверхность может быть слишком долго».
Исследователи хотели ускорить сбор вирусных частиц (в данном случае вируса везикулярного стоматита, распространенного животного вируса) в нужном месте на подложке, работая в среде с физиологической ионной силой.
Исследователи из Университета в Буффало применили свой опыт в технике направленной сборки, при которой они проектируют внешние электрические поля и поля потока жидкости, чтобы «направлять» наночастицы в определенные места и в определенных концентрациях на подложке.
«Эта работа показывает, что с помощью электродов, разделенных всего несколькими микрометрами, вместе с электротермически индуцированным потоком жидкости мы можем ускорить транспортировку вирусных частиц из водных суспензий с физиологической ионной силой к определенным точкам на поверхности. Это позволяет достичь локальных концентраций, достаточно высоких для последующего быстрого обнаружения», — объяснил Александридис.
«Мы достигли этого не случайно, а по замыслу. Мы предположили, что применение этих внешних полей заставит наночастицы вести себя определенным образом. Мы спроектировали электроды для генерации необходимых сил для интересующей нас системы и затем проверили наш дизайн».
В исследовании инженеры использовали направленную сборку для управления диэлектрофоретическими силами, действующими через неоднородное электрическое поле, что позволило преодолеть препятствие, возникающее при работе с наночастицами.
«Когда вы работаете с микроскопическими объектами, диспергированными в жидкости, гравитация очень важна. Но в наномасштабе гравитация не имеет значения. Поэтому при манипуляции веществом в наномасштабе лучше всего могут работать электрические поля и поля потока жидкости. Используя направленную сборку, мы можем управлять силами, действующими на наночастицы. Возможность использовать несколько сил, действующих совместно, становится важной», — пояснил Александридис.
Электрические поля, в частности, выгодны, поскольку, проектируя электроды определенным образом, инженеры могут контролировать направленность и интенсивность электрических сил, действующих на наночастицы.