Metal que muda de cor pode fornecer sinais precoces de doença

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Muitos de vocês saberão que eu escrevo principalmente sobre física. Meu conhecimento da biologia humana está limitado a ter razoável certeza de que tenho um corpo. Em um ponto, algumas das minhas pesquisas poderia teve uma aplicação médica, mas envolveu doenças, conhecimento que eu não tinha. Um artigo recente sobre o uso efeitos quânticos para melhorar o diagnóstico médico me deu flashbacks para aqueles dias felizes, mesmo que eu ainda não entenda doenças.

Uma coisa que eu tenho consciência é que geralmente é preferível ser diagnosticado para uma doença cedo. Pode ser a diferença entre tomar uma pílula e deixar seu fígado decorar os instrumentos de um cirurgião. Isso significa que seu médico precisa de uma maneira barata e eficaz de ver se você tem a doença. É onde, esperançosamente, os físicos – e talvez até alguns físicos – podem entrar em jogo.

A maioria das doenças libera proteínas ou outras moléculas que sinalizam o problema. Se você tiver detectores suficientes e sensíveis, então poderá captar esses sinais e identificar possíveis problemas no início. O desafio é que quase todos os testes desse tipo são sensíveis à concentração: ou seja, se não houver muitas moléculas, o sinal será fraco e o teste retornará um falso negativo.

Este é o lugar onde um grupo de pesquisadores decidiu que a mecânica quântica tinha as respostas. Na verdade, os pesquisadores vão mais além, combinando plasmonics com a mecânica quântica para construir um detector fantástico que teoricamente pode captar o sinal de uma única molécula.

Plasmons brilhantes

Para superar os problemas de sensibilidade, muitas vezes usamos técnicas para amplificar sinais fracos. As ressonâncias de plasmon de superfície têm sido consideradas muito boas nisso. Na verdade, eles são usados ​​até mesmo em testes de gravidez para prever a paternidade pendente.

Um plasmon é, essencialmente, uma onda de luz e elétrons se alimentando um do outro. Uma onda de luz consiste em um campo elétrico que oscila no tempo e no espaço. Quando esse campo encontra um metal, os elétrons são levados a oscilar com o campo elétrico. Isso gera uma nova onda de luz que contraria o original.

No entanto, se o metal é apenas uma esfera muito pequena, menor que cerca de 100 nm (um nanômetro é um bilionésimo de metro), então os elétrons não podem viajar muito longe. A onda de luz empurra os elétrons em uma direção, onde eles se acumulam na borda do metal, deixando os núcleos positivos na outra borda expostos. Isso gera um grande campo contrário que puxa os elétrons de volta.

Este processo é exatamente como empurrar um balanço. Se a onda de luz empurra os elétrons exatamente na taxa certa, então o empilhamento e a retirada de elétrons dentro do metal se acumulam, sugando a energia do campo de luz que chega. Os elétrons desistem dessa energia emitindo luz, brilhando intensamente contra um fundo escuro. Uma minúscula bola de metal que suporta uma ressonância plasmônica para luz vermelha ficará invisível quando iluminada por luz verde, mas brilhará sob luz vermelha: a ressonância do plasmônio torna visível o invisível.

Para transformar plasmons em detectores, a idéia básica é fazer com que eles mudem a cor da luz que eles ressoam. Isso geralmente é feito aproximando as esferas de metal. Os elétrons em cada esfera ainda espirram para trás e para frente, mas a esfera vizinha está fazendo o mesmo, e eles têm que escolher uma frequência que funcione para ambos. O resultado é que a cor da luz necessária para excitar a ressonância muda dramaticamente em comparação com quando há apenas uma esfera. E, mais importante, a mudança de cor depende do material que fica entre as duas esferas.

Portanto, colocar a água entre as esferas resultará em uma mudança para uma cor; Se houver alguma proteína que queremos detectar dissolvida na água, a mudança será para uma cor diferente. Esses tipos de detectores funcionam muito bem, mas à medida que a quantidade de proteína diminui, a mudança de cor fica menor.

Moléculas de luz chamativa

Para superar o problema de sensibilidade, os pesquisadores propõem o uso de uma combinação de realce plasmônico e moléculas emissoras de luz. Nesse procedimento, a proteína que você deseja detectar está ligada a uma molécula que emitirá luz da mesma cor que a do plasmon.

O plasmon e o brilho do emissor influenciam um ao outro. Essencialmente, se uma pessoa está excitada, ela transferirá essa energia para a outra e, em seguida, a retransmitirá em intervalos regulares. Essa troca contínua, chamada de oscilação de Rabi, é tão rápida e induz campos elétricos tão fortes que altera a cor de emissão da molécula. Ao fazer isso, nem a molécula nem o plasma podem emitir em sua cor natural – em vez disso, eles emitem mais vermelho e luz mais azulada.

A mudança de cor não depende de quantas moléculas estão presentes – uma única molécula gera o mesmo deslocamento que 10 ou 1.000 moléculas. Assim, um tipo de detector binário é alcançado.

Desvio médico de Plasmon

Por mais legal que isso seja, também me falta o ponto, eu acho. Nós já tem microscópios que pode detectar proteínas isoladas se você anexar uma molécula brilhante a elas. Não só isso, mas as proteínas não se ligam tão especificamente quanto gostaríamos. O resultado final é que outras proteínas aleatórias se ligam à sua molécula brilhante, e elas dominam quando a proteína alvo está em baixa concentração.

Finalmente, chegamos ao problema técnico oculto. O detector funciona E se o emissor e o plasma estão fortemente acoplados. Isso significa que o emissor preferiria dar sua energia ao plasma do que qualquer outra coisa. E, da mesma forma, o plasmon preferiria transferir energia para o emissor do que qualquer outra coisa. Normalmente, isso requer uma configuração muito cuidadosa, com espelhos altamente refletores e ótimas características moleculares. Esses requisitos são o oposto de barato e fácil.

Eu ainda gosto do trabalho, no entanto. Além de ser um bom cálculo que mostra algumas possibilidades interessantes, há muitas aplicações. Pode até acabar em um hospital como um sistema de diagnóstico de alta qualidade. Não vai acabar no consultório do seu médico, no entanto.

Nanoletters ACS, 2019, DOI: 10.1021 / acs.nanolett.9b01137 (Sobre o DOIs)

Fonte: Ars Technica