量子物理和折纸为终极get-well卡

基于纸张的诊断测试便宜，方便且可生物降解。然而，它们的使用受到常规染料的限制 - 常规染料不够亮以显示痕量的分析物，易于褪色，并且可能对环境有毒。

现在，研究人员正在使用量子物理来克服这些局限，发表在生物工程和生物技术前沿的一篇评论。微小金属颗粒(小于光波)的奇异光学特性可以在纸上捕获，以检测测试样品中的单个目标分子。这些超灵敏测试设备可以在低资源环境中的使用点进行组装和定制，几乎无限的应用涵盖医学，法医学，制造和环境安全。

“正在开发新一代基于纸张的分析设备，它使用金属纳米颗粒进行分析物鉴定，”墨西哥光学研究中心的主要作者Eden Morales-Narváez博士说。“这些将允许在从诊所到犯罪现场到污染水源的低资源环境中进行低成本测试。”

纸质诊断技术既聪明又不亮

纸张是便宜，易于获取的诊断设备的理想介质 - 并且已经从怀孕测试式条带中获得了很长的路要走，它只是将样品与测试化学品混合在一起。

“纸张设备可以通过使用可以评分，绘制甚至打印的指南来过滤，浓缩和混合试剂，并且可以控制时间和顺序，”Morales-Narváez解释道。“有些团体甚至使用折纸来改变流动方向，并添加处理步骤，允许使用单个纸张设备进行更复杂，重复或平行的反应。”

真正的困难在于阅读这些纸质测试的结果。“设置测试反应，以便如果感兴趣的物质或'分析物' - 例如生物标记物或污染物 - 存在于样品中，则产生或改变有色颜料。

“问题在于传统颜料通过选择性地吸收某些波长并简单地反射其他颜色来产生颜色 - 例如，红色墨水呈现红色，因为它在蓝色和绿色光谱区域中强烈吸收。“这意味着，为了发生可见的颜色变化，需要相对大量的分析物。换句话说，测试不是非常敏感。”

更糟糕的是，测试结果不能保存为记录，因为颜料容易褪色，并且在某些情况下由于颜料毒性而不能安全地丢弃。

量子物理解决方案

基于纸张的测试需要的是超亮的颜色指示器。提示金属纳米颗粒(MNP)。莫拉莱斯 - 纳尔瓦兹总结说：“MNP可以提供更明亮，持久的色彩信号，因为它们可以显着放大特定波长的光线 - 而不是简单地反射它。”

顾名思义，MNP是纳米尺寸的金属片。它们比光波小约10-100倍，它们的行为进入了量子物理学的奇怪领域。“简单地说：金属由固定的正离子晶格组成，它们共享带负电荷的自由电子的”云“。

“在纳米尺寸的金属片中，某些波长的光使这些自由电子相对于金属中固定的正离子振动。这种振动放大了光线，发出更亮的颜色。”

仍然困惑?请记住，光是一个可见的电磁场。想象一下，在这个领域内放置一个金属立方体。带负电的电子将移动到场的正极，在负极处发现正金属离子。当磁场消失(或者更确切地说 - 光波振荡)时，电子以相反的方向移动，相互排斥并被吸引回未被覆盖的正金属离子。随着电磁场极性的变化，电子以这种方式来回振荡。

超敏感的纸质诊断

至关重要的是，导致自由电子振动的特定波长是可调的 - 因此MNPs放大的颜色取决于它们的形状，大小和间距，以及金属和周围介质的类型。因此，有各种方法将基于纸张的测试反应与MNP颜色的变化相结合。

“你可以制造结合分析物的MNP，然后让它们在溶液中流过纸上固定的生物识别元素，如抗体，也会结合分析物。阳性测试将导致MNP积累，从而改变它们的间距和周围环境。“或者，当MNP与分析物反应时，MNP可从保持分子中释放出来。“有些分析物甚至可以侵蚀MNPs，直接导致颜色变化。例如，食物变质中的氨和其他挥发性化合物，或阳光照射下的紫外线辐射。”

结果：超灵敏的纸张诊断。“甚至在极摩尔浓度的分析物中，MNPs也能产生明显的颜色变化，”Morales-Narváez证实。每滴测试样品大约有30个分子。但如果用特殊的机器而不是人眼读取纸张测试，灵敏度仍然更高。

“结合使用称为拉曼光谱的扫描技术，MNP可以报告单个分析物分子的检测结果。”有超过10,000篇研究文章探讨仅在2018年发表的MNP的使用，可能不久之后，量子物理驱动的纸张诊断设备就进入了主流。