Nouvelle méthode de détection ultra-rapide du coronavirus à l’aide de nanocapteurs

La capacité des particules d’or à refléter la lumière dans différentes couleurs est utilisée dans des applications allant du vitrail aux tests de grossesse. Désormais, les chercheurs sont prêts à exploiter les mêmes propriétés dans un capteur ultra-rapide pour le coronavirus.

Coller des écouvillons dans notre nez et dans notre gorge pour confirmer ou infirmer si nous sommes infectés par le coronavirus – nous l’avons presque tous fait plusieurs fois au cours des deux dernières années.

Les méthodes qui ont été utilisées pour détecter et prévenir la propagation du virus ont été les mêmes partout dans le monde, soit :

• la méthode PCR coûteuse, longue mais très précise où l’ADN du virus est détecté dans nos muqueuses, ou
• la méthode la plus simple et la plus rapide qui indique uniquement si nous avons développé des anticorps contre le virus.

Détection ultra-rapide

Cependant, les deux méthodes ont leurs faiblesses. La méthode PCR est coûteuse et prend du temps, tandis que la méthode des anticorps ne nous dit rien sur la présence réelle du virus dans le corps. Un moyen simple et abordable de détecter le virus qui fournit un résultat rapide serait donc utile.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU), d’Oslomet et de l’Université de Tabriz en Azerbaïdjan oriental ont démontré une méthode de détection du coronavirus dans des échantillons de sang à l’aide de nanocapteurs.

“De nombreuses recherches se concentrent sur la recherche de méthodes pour isoler rapidement les personnes infectées, ce qui peut briser la chaîne d’infection. Les nanocapteurs ont reçu beaucoup d’attention en raison de leurs propriétés uniques pour la détection ultra-rapide de particules telles que les virus”, explique Amir Maghoul. . Il est chercheur et premier auteur de l’article “An Optical Modeling Framework for Coronavirus Detection Using Graphene-Based Nanosensor”. Il était boursier postdoctoral à NTNU lorsqu’il a commencé son travail.

Une première étape sur la voie du développement d’un nanocapteur séparé pour le coronavirus consiste à identifier les propriétés optiques qui distinguent le coronavirus des autres particules de notre sang.

Ingve Simonsen, professeur de physique à NTNU, explique.

La plupart des gens ont vu le coronavirus représenté comme un noyau rond ou une boule avec des “pointes” rouges ou des tiges qui dépassent.

Nous voulions voir quel rôle la longueur et la taille de ces “pointes” jouent dans la façon dont les cellules réfléchissent la lumière, ainsi que si la taille du noyau est importante.”

Ingve Simonsen, professeur de physique à NTNU

Déplace la résonance

Pour trouver des réponses à leurs questions, les chercheurs ont utilisé des modèles mathématiques. Le comportement optique du virus – c’est-à-dire la façon dont la cellule virale réfléchit la lumière sous forme de résonance – a été simulé et analysé sur l’ensemble du spectre lumineux.

“Nous avons observé que la réflectivité variait avec la longueur des protéines de pointe. À mesure que les pointes s’allongent, la réflectivité diminue en même temps que la résonance se déplace vers des longueurs d’onde plus élevées”, explique Simonsen.

Les chercheurs ont observé la même réponse lorsqu’ils variaient la taille du noyau du virus dans les modèles. La largeur de la protéine de pointe avait moins d’effet sur la façon dont la lumière était réfléchie. De cette manière, les chercheurs ont pu découvrir dans quelle partie du spectre de longueurs d’onde le coronavirus diffère des autres particules dans le sang.

« À certaines longueurs d’onde, nous obtenons une réponse optique différente selon que des virus sont présents ou non. Nous appelons cela la signature optique du coronavirus », explique Simonsen.

“Nous savons que les propriétés optiques des particules changent en fonction de leur environnement. Elles se comportent différemment si elles sont dans l’eau ou dans le vide, si plusieurs particules sont côte à côte ou si la surface est recouverte d’une fine couche d’une autre substance. .”

Exemple de test de grossesse

La première personne à décrire en termes généraux comment les particules sphériques réfléchissent les ondes lumineuses fut le scientifique allemand Gustav Mie en 1908.

“Il est bien connu que la lumière ordinaire consiste en un spectre de longueurs d’onde. C’est ce que nous voyons lorsque nous regardons un arc-en-ciel ou lorsque la lumière traverse un prisme de verre. La lumière frappe les molécules d’eau dans l’atmosphère ou le prisme et se reflète dans différentes longueurs d’onde de la lumière, que nous voyons comme un spectre de couleurs », explique Simonsen.

Mie a montré comment de petites sphères ou noyaux réagissent différemment à la lumière.

“Par exemple, les petites particules métalliques ont une réponse optique très forte. Cette caractéristique est utilisée dans certains types de tests de grossesse qui mesurent la réponse optique aux petites particules d’or”, explique Simonsen.

“L’hormone que vous recherchez dans l’urine – que vous n’avez que si vous êtes enceinte – s’accumule à la surface des particules d’or sur le bâtonnet-test et modifie la fréquence de résonance de la particule. Le résultat est un changement de couleur vers le bleu, ce qui montre que vous êtes enceinte.”

Exemple de peinture de rose

Un autre exemple de la façon dont les petites particules réagissent à la lumière peut être vu dans le vitrail, comme la grande rosace de la cathédrale de Nidaros. Les fortes couleurs rouges, bleues et vertes sont toutes le résultat de la réponse optique des particules métalliques utilisées dans le verre. Et c’est cette propriété qui peut être utilisée pour détecter le coronavirus dans des échantillons de sang.

“Ce que vous faites, c’est placer un réseau de fines particules d’or cylindriques sur une très fine couche de graphène. Le graphène est un nanomatériau doté de nombreuses propriétés fascinantes, notamment le fait qu’il conduit bien l’électricité et avec peu de pertes.”

Lorsque le sang contenant le coronavirus passe sur les particules d’or, la fréquence de résonance des particules change, ce qui crée à son tour un champ électromagnétique. Ce champ établit un courant dans le capteur qui peut être facilement mesuré.

En étudiant les courbes de courant pour certaines plages de fréquences de la lumière entrante, nous pouvons déterminer si le sang contient ou non un coronavirus », explique Simonsen.

Un grand potentiel pour les nanotechnologies

Les nanocapteurs ont le potentiel d’être très sensibles. Le matériau graphène “intelligent” du nanodisque agit comme un amplificateur, explique Amir Maghoul.

“La nanotechnologie n’a pas été utilisée auparavant pour ce type de capteur, donc ce développement est une nouvelle technologie. Ce que nous avons fait ici, c’est créer le premier cadre optique pour détecter le coronavirus et montrer comment le virus se comporte dans le spectre optique”, explique Maghoul. .

La prochaine étape consiste maintenant à créer une entreprise capable de développer un prototype de laboratoire pour le nanocapteur.

“Nous devons collecter des fonds pour pouvoir aller de l’avant et développer un capteur à usage commun. La collaboration entre NTNU et Oslomet a montré que nous disposons d’installations avec un potentiel important pour développer et produire ce type de nanocapteur à usage biomédical si le travail est soutenue financièrement », déclare Maghoul.