Dentro brevemente
- Os pesquisadores desenvolveram um sistema de detecção química altamente sensível combinando um sensor quântico com microfluídica de gotículas, permitindo medições precisas em pequenos volumes de amostra.
- O estágio usa nanodiamantes que contêm centros de vacância de nitrogênio (NV) incorporados em pequenas gotículas de líquido, que melhoram a estabilidade da medição, reduzem o ruído e reduzem custos em comparação com sensores de diamante de cristal único.
- Apresentando limites de detecção tão baixos quanto 100 nanomolares para íons paramagnéticos, o sistema é promissor para aplicações como diagnóstico físico, análise unicelular e monitoramento ambiental.
- As instituições incluem a Universidade da Califórnia, Berkeley, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, a Adamas Nanotechnologies Inc. e o CIFAR Azrieli Global Scholars Program no Canadá.
Os pesquisadores combinaram detecção quântica e microfluídica de gotículas para criar um sistema de detecção química altamente sensível, oferecendo aplicações desde bioengenharia até monitoramento ambiental.
A pesquisa, publicada na Science Advances, apresenta uma plataforma que utiliza sensores quânticos feitos de nanodiamantes para detectar produtos químicos com precisão excepcional. Esses nanodiamantes, que contêm centros de vacância de nitrogênio (NV), são incorporados em pequenas gotículas de líquido, permitindo aos pesquisadores superar desafios importantes na detecção química tradicional. O novo método reduz o ruído, permite estabilidade a longo prazo e requer pequenos volumes de amostra.
“Avanços significativos foram possibilitados por este trabalho, incluindo ensaios químicos portáteis, ensaios químicos não amplificadores e ferramentas de imagem química para avaliar reações no ambiente”, observaram os pesquisadores no estudo.
O que diz
Segundo a equipe, a principal inovação do sistema reside na capacidade de detectar produtos químicos altamente precisos utilizando quantidades muito pequenas de analito ou material de teste. A tecnologia poderá um dia ser usada para desenvolver sensores químicos portáteis, melhorar ferramentas analíticas celulares e permitir experimentos químicos sem amplificação em muitos campos, incluindo diagnósticos, biorreatores e sensores ambientais.
A plataforma também é promissora para monitoramento intracelular em tempo real, análise unicelular e imagens químicas. Ao explorar a precisão dos sensores quânticos e a flexibilidade da microfluídica de gotículas, a pesquisa abre novas oportunidades para sondar reações em espaços confinados.
Por exemplo, os investigadores propõem que a combinação desta tecnologia com a citometria de fluxo – o processo de análise de células em líquido – poderia revolucionar a metabolómica unicelular. Ao detectar espécies reativas de oxigênio (ROS) dentro de células individuais, o sistema pode ajudar a monitorar o corpo celular com detalhes sem precedentes.
Sensores quânticos em gotículas
A detecção quântica depende de centros de vacância de nitrogênio (NV) em diamantes. Esses centros são defeitos onde dois átomos de carbono são substituídos por um átomo de nitrogênio e um espaço vazio, ou vacância. Os centros NV são particularmente úteis porque o seu estado de spin – relacionado com as suas propriedades magnéticas – é muito sensível às mudanças ambientais. Essa sensibilidade é capturada medindo as mudanças na luz emitida pelos centros NV quando expostos a microondas e lasers.
Até agora, a detecção química com centros NV dependia fortemente de diamantes monocristalinos, que são caros, exigem alinhamento preciso e fornecem contato espacial limitado com moléculas-alvo, de acordo com os pesquisadores. Em contraste, neste estudo, a equipe usa nanodiamantes – minúsculas partículas de diamante com tamanho de alguns nanômetros – que podem interagir estreitamente com produtos químicos em um ambiente líquido. Os nanodiamantes não interagem química ou biologicamente com tecidos vivos – eles são bioinertes. Eles são econômicos e podem ser personalizados para programas específicos.
Para melhorar o desempenho, os pesquisadores usaram microfluídica de gotículas, uma técnica que controla minúsculas gotículas de líquido em canais menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano. Essas gotículas atuam como minúsculas câmaras de reação, encapsulando nanodiamantes e analitos em condições controladas. Ao fluir as gotículas através de um sistema de detecção, os pesquisadores obtiveram medições estáveis e resistentes ao ruído em milhares de gotículas.
Como funciona
O sistema usa nanodiamantes carregados em gotículas do tamanho de picolitros – um bilhão de vezes menores que uma gota de água típica. As gotículas fluem através de um dispositivo microfluídico onde são iluminadas com uma luz laser verde e submetidas a campos de microondas.
Os centros NV em nanodiamantes emitem fluorescência vermelha, que muda dependendo da presença de produtos químicos, como íons paramagnéticos. Este sinal óptico é detectado e analisado usando uma técnica chamada ressonância magnética detectada opticamente (ODMR).
O movimento das gotas é responsável pelas flutuações causadas por diferenças no tamanho, formato ou outras inconsistências do nanodiamante, melhorando a precisão da medição. Os pesquisadores também usaram uma técnica de modulação dupla – usando microondas e fluxo de gotículas – para separar o sinal quântico do ruído de fundo, melhorando ainda mais a sensibilidade.
Nas suas experiências, a equipa demonstrou a capacidade do sistema de detectar iões de gadolínio, um tipo de analito paramagnético, com um limite de detecção tão baixo quanto 100 nanomolar, um nível recorde da equipa que anteriormente era difícil de alcançar em volumes de amostra tão pequenos. Eles também mediram espécies ativas como TEMPOL, uma sonda química comum para ROS, que atingiu um limite de detecção abaixo de dois micromolares.
Implicações e aplicações
Os cientistas escrevem que a sua inovação abre caminho para a próxima geração de dispositivos de detecção química que são portáteis, precisos e baratos. As possíveis aplicações incluem:
- Diagnóstico: Um teste não amplificado para a detecção de vestígios químicos ou biomarcadores no sangue e outros fluidos.
- Bioengenharia: Monitoramento em tempo real do metabolismo celular ou reações químicas em biorreatores.
- Monitoramento Ambiental: Dispositivos que podem ser usados em campo para detectar impurezas ou contaminantes na água e no ar.
- Análise de célula única: Ferramentas para estudar a estrutura química de cada célula, fornecendo informações sobre metabolismo, doenças e reações a medicamentos.
A integração desta plataforma com tecnologias existentes, como a citometria de fluxo, pode expandir muito a forma como ela pode ser utilizada. Os pesquisadores imaginam uma versão “aprimorada quântica” da citometria de fluxo que combina análise celular com detecção química precisa.
Limitações do estudo e direções futuras
As capacidades atuais da plataforma estão limitadas a determinados analitos como o gadolínio e o TEMPOL. Estudos futuros precisarão explorar uma gama mais ampla de detecção química e validar o sistema para aplicações no mundo real.
Os pesquisadores também pretendem desenvolver métodos para rastrear nanodiamantes dentro das gotículas, permitindo imagens químicas em tempo real. Eles também propõem melhorar o fluxo de trabalho – analisando milhões de gotículas por hora – e integrar o sistema em dispositivos compactos e portáteis para uso em campo.
Outra abordagem possível é o uso de nanodiamantes em aplicações avançadas, como magnetometria em massa ou acelerômetros. Os pesquisadores destacam que a estabilidade da plataforma ao longo de horas de medição contínua a torna ideal para tarefas de alta precisão.
O estudo mostra como a tecnologia quântica pode ser combinada com ferramentas existentes para fornecer soluções práticas. Ao abordar as limitações da detecção química tradicional, este método fornece a base para sistemas de detecção de alta precisão, econômicos e não contaminantes.
Por favor, leia o artigo de pesquisa em Science Advances para uma visão mais aprofundada e técnica do trabalho.
A pesquisa foi liderada por Ashok Ajoy da Universidade da Califórnia, Berkeley, e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, com contribuições de Adrisha Sarkar, Zachary R. Jones, Madhur Parashar, Emanuel Druga, Amala Akkiraju, Sophie Conti, Pranav Krishnamoorthi, Srisai Nachuri, Parker Aman e Mohammad Hashemi, todos afiliados à UC Berkeley. Zachary Jones e Deepti Tanjore também estão associados à Unidade de Desenvolvimento de Processos Avançados de Biocombustíveis e Bioprodutos do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Nicholas Nunn, Marco D. Torelli e Olga A. Shenderova da Adamas Nanotechnologies Inc. fornecer-lhes recursos e apoio. Benjamin Gilbert e Kevin R. Wilson, ambos do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, também contribuíram para o estudo.
