COVID-veroorzakend virus in lucht gedetecteerd met hightech bubbels

Weergegeven wordt het schema voor visualisatie van de synthesestappen en reactie voor de functioneel ingeprinte micellen. Credit: MRS Communicatie (2022). DOI: 10.1557/s43579-022-00242-0

Wetenschappers hebben aangetoond dat ze SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, in de lucht kunnen detecteren door een met nanotechnologie gevulde bubbel te gebruiken die zijn chemische inhoud als een gebroken piñata morst wanneer hij het virus tegenkomt.

Zo’n detector kan op een muur of plafond worden geplaatst, of in een luchtkanaal, waar sprake is van constante luchtbeweging, om bewoners onmiddellijk te waarschuwen wanneer er zelfs maar een spoorniveau van het virus aanwezig is.

Het hart van de nanotechnologie is een micel, een moleculaire structuur die bestaat uit oliën, vetten en soms water met een binnenruimte die gevuld kan worden met lucht of een andere stof. Micellen worden vaak gebruikt om geneesmiddelen tegen kanker in het lichaam af te geven en zijn een hoofdbestanddeel van zepen en wasmiddelen. Bijna iedereen is wel een micel in de vorm van zeepbellen tegengekomen.

Een team van wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy heeft een nieuw soort micel gemaakt, een die op het oppervlak is gestempeld met kopieën van een bedrukt deeltje voor SARS-CoV-2.

Het team vulde micellen met een zout dat in staat is om een ​​elektronisch signaal te creëren, maar dat is stil wanneer het in een micel wordt verpakt. Wanneer een viraal deeltje interageert met een van de ingeprinte receptoren op het oppervlak, springt de micel open, morst het zout en zendt onmiddellijk een elektronisch signaal uit.

Het systeem werkt als een signaalvergroter en vertaalt de aanwezigheid van één viraal deeltje in 10 miljard moleculen die samen een detecteerbaar signaal creëren. De ontwikkelaars zeggen dat de detector voordelen heeft ten opzichte van de huidige technologieën; het produceert sneller een signaal, vereist een veel lager niveau van virale deeltjes of produceert minder fouten.

Het team publiceerde zijn bevindingen online op 25 oktober in MRS Communicatie.

“Er is behoefte aan dit soort goedkope detectiesystemen”, zegt PNNL-wetenschapper Lance Hubbard, een nanotechnologiespecialist en auteur van het artikel. “Misschien kan het worden geïmplementeerd in scholen, of in ziekenhuizen of eerstehulpafdelingen voordat patiënten volledig zijn beoordeeld – overal waar je onmiddellijk moet weten dat het virus aanwezig is.”

De miceltechnologie van PNNL is het product van een moeizame keten van 279 afzonderlijke chemische stappen, ontwikkeld door eerste auteur Samuel Morrison samen met Hubbard en andere wetenschappers van PNNL.

COVID-detectie: één op miljarden

Het team schat dat de technologie één viraal deeltje uit miljarden andere deeltjes kan plukken. De detector is zo gevoelig dat het team moeite had om de ondergrens te identificeren. Het team gebruikte zowel geïnactiveerde SARS-CoV-2-virale deeltjes als het spike-eiwit van het virus in zijn tests.

Terwijl de technologie het virus binnen een milliseconde detecteert, heeft het apparaat een extra minuut nodig om kwaliteitscontrolesoftware uit te voeren om het signaal te bevestigen en valse alarmen te voorkomen.

Micellen kunnen delicaat zijn, zoals een zeepbel uit de toverstok van een kind. Maar onder bepaalde omstandigheden kunnen wetenschappers sterkere micellen maken die hun inhoud op het juiste moment en op de juiste plaats vrijgeven – bijvoorbeeld deze micellen die openbarsten wanneer een viraal deeltje wordt gedetecteerd.

De PNNL-micel is dubbellaags, met de ene met polymeer gecoate micel in de andere, en de hele structuur is ondergedompeld in water. Elke micel is ongeveer 5 micron breed. Op het buitenoppervlak bevinden zich verschillende ingeprinte deeltjes, gemaakt van silica, ongeveer 500 nanometer breed. Elke afdruk is een kans voor een COVID-veroorzakend viraal deeltje om zich te binden, waardoor de dubbellaagse micel openspringt.

“Het combineren van micellen met een technologie om ze te bedrukken of te stempelen, is niet iets dat veel mensen eerder hebben gedaan”, zei Hubbard. “Het inprenten van een molecuul met ons molecuul van belang voegt een kwetsbaarheid toe aan de micel – en dat is wat we in dit geval willen.”

Morrison, een voormalige marinier, begon dit werk in de hoop een nieuwe manier te ontwikkelen om soldaten te helpen snel explosieven op te sporen in gevechten. Hij legde contact met Hubbard, een expert in nanosynthese. Ze verlegden de focus van het project naar SARS-CoV-2 toen de pandemie toesloeg. Andere mogelijke toepassingen van de technologie zijn de detectie van fentanyl en milieutoxines.