LabVIEW en la Detección e identificación de virus y bacterias en el aire aire y a nivel individuo mediante la adquisición de sus frecuencias de resonancia ópticas y mecánicas
Producto(s) de NI utilizados: LaNI BNC-2110, LabVIEW
Industria: Biomedica
Area de aplicación: Biomedicina
Industria: Biomedica
Area de aplicación: Biomedicina
El Reto
El principal reto radica en el seguimiento simultáneo de las frecuencias de resonancia opticas y mecánicas de dispositivos nano-optomecánicos. |
La Solución
LabVIEW en la solución como entrono de desarrollo de la automatización y el control. La combinación de controladores automáticos de láser ajustables, etapas nanoposicionadoras y capturadores de frecuencias ultra altas, con equipamiento de NI BNC-2110 y LabVIEW como entorno de desarrollo de la automatización y el control. El Sistema consigue una extraordinaria precisión en la monitorización de multiples frecuencias de resonancia ópticas y mecánicas, lo que permite su uso en nuevas aplicaciones de detección de patógenos infecciosos, bacterias y virus. |
Desarrollo
El Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN-CNM, CSIC) es una Institución pública de Investigación Española que desarrolla proyectos de investigación base y aplicada. Particularmente, el laboratorio de Bionanomecánica centra sus investigaciones en el desarrollo de nuevos sensores biológicos basados en resonadores mecánicos, con el objetivo principal de desarrollar nuevas técnicas para el diagnóstico de una gran variedad de enfermedades, ya sean infecciosas, cancerígenas o genéticas. Este proyecto en particular se centra en la aplicación de microdiscos optomecánicos en la detección de enfermedades infecciosas, desde virus a bacterias.
El Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN-CNM, CSIC) es una Institución pública de Investigación Española que desarrolla proyectos de investigación base y aplicada. Particularmente, el laboratorio de Bionanomecánica centra sus investigaciones en el desarrollo de nuevos sensores biológicos basados en resonadores mecánicos, con el objetivo principal de desarrollar nuevas técnicas para el diagnóstico de una gran variedad de enfermedades, ya sean infecciosas, cancerígenas o genéticas. Este proyecto en particular se centra en la aplicación de microdiscos optomecánicos en la detección de enfermedades infecciosas, desde virus a bacterias.
Murmann LabVIEW Consultants cuenta con un equipo de Arquitectos LabVIEW Certificados (CLA) e Instructores Certificados (CPI), con amplia experiencia en desarrollo de software. Ofrecemos soluciones para proyectos relacionados con LabVIEW o cualquier producto de National Instruments, desde estudios de viabilidad hasta el desarrollo de la solución completa, refactorización de código, diseño de la óptima arquitectura del código, asesoramiento, formación y soporte, buscando siempre superar las expectativas de sus clientes. Los expertos de Murmann LabVIEW Consultants se unieron al equipo de investigadores para colaborar en el desarrollo de la aplicación de control y automatización de procesos necesarios para el éxito del Proyecto.
Mediante dispositivos optomecánicos, los investigadores han observado que las bacterias y los virus “vibran” cientos de millones de veces por Segundo. La frecuencia de resonancia del microorganismo aporta valiosa información sobre sus características y permite llegar a identificarlo. El hallazgo fue publicado en la revista Nature Nanotechnology en 2020 y abre la puerta a que en el futuro se desarrollen dispositivos que puedan detectar, de forma universal, a gran escala y con alta sensibilidad, la presencia de cualquier virus o bacteria en una muestra.
Hasta ahora la detección de virus o bacterias se basan en detectar las características genéticas del microorganismo y solo son capaces de |
detectar los virus o bacterias para los que han sido diseñados.
La nueva tecnología, por contra, se basa en detección de las propiedades biofísicas de los microorganismos y permitirá identificar con un solo test la presencia de cualquiera de estos microorganismo.
Los estudios han revelado por primera vez la frecuencia de resonancia de una única bacteria, consiguiendo varios hitos: descubrir que las bacterias vibran a frecuencias características, saber a qué frecuencia lo hacen y hacerlo a nivel de una sóla entidad.
La nueva tecnología, por contra, se basa en detección de las propiedades biofísicas de los microorganismos y permitirá identificar con un solo test la presencia de cualquiera de estos microorganismo.
Los estudios han revelado por primera vez la frecuencia de resonancia de una única bacteria, consiguiendo varios hitos: descubrir que las bacterias vibran a frecuencias características, saber a qué frecuencia lo hacen y hacerlo a nivel de una sóla entidad.
La consecución de estas observaciones se basan en el uso de nanodispositivos optomecánicos que han recibido mucho interés científico por su capacidad para medir desplazamentos inferiores al tamaño de un átomo.
Para la monitorización con tan alta precisión de las resonancias mecánicas se utilizan métodos ópticos. Las fibras ópticas usadas para acoplar luz en los dispositivos, deben mantener la alineación con una precisión de décimas de nanómetro durante periodos largos. Además, con el fin de determinar con alta precisión las resonancias mecánicas de los dispositivos, el sistema debe mantener la longitud de onda del laser en una cierta longitud de onda desintonizada con respecto a la resonancia óptica del dispositivo (con precisión sub-picómetrica). Una vez que se realizan ambas alineaciones, el sistema debe adquirir los espectros mecánicos de los dispositivos muy rápidamente y extraer información sobre sus diferentes frecuencias de resonancia mecánicas.
LabVIEW permite sincronizar las señales provenientes de los diferentes fotodetectores, junto con el control de dos láseres infrarrojos sintonizables, dos etapas de nanoposicionamiento XYZ y un Sistema de adquisición de frecuencias ultra altas, para poder realizar de forma automática las tareas previamente descritas. La sincronización de todos estos sistemas resulta crítica en este Proyecto. El software también dota al Sistema de una arquitectura flexible y adaptada al crecimiento futuro con posibles nuevos módulos o subsistemas.
Adicionalmente, el Sistema de control LabVIEW, permite la configuración de distintos experimientos que serán llevados a cabo por el Sistema automáticamente durante días, consiguiendo tenerlo alineado durante todo el tiempo que dura este proceso. Esta automatización ha simplificado enormemente el Sistema experimental en cuanto a su uso y control. Además, permite monitorear distintos módos: un modo óptico y cuatro modos mecánicos diferentes con una precisión relativa por debajo de 10-6 lo que permite un mayor alcance en las investigaciones.
Actualmente los esfuerzos están dirigidos a detectar las vibraciones incluso con los sensores sumergidos en líquido, entorno natural para la biología. Al mismo tiempo, se quiere aplicar la técnica para la detección de más tipos de bacterias y virus, incluso llegar a conocer en qué estado de su ciclo vital.
Posteriormente, se buscará la aplicación de esta técnica en células humanas, para ser capaces de distinguir células sanas de células cancerígenas, lo que permitiría detectar cancer en estados muy tempranos, mucho antes que los métodos actuales.
Para la monitorización con tan alta precisión de las resonancias mecánicas se utilizan métodos ópticos. Las fibras ópticas usadas para acoplar luz en los dispositivos, deben mantener la alineación con una precisión de décimas de nanómetro durante periodos largos. Además, con el fin de determinar con alta precisión las resonancias mecánicas de los dispositivos, el sistema debe mantener la longitud de onda del laser en una cierta longitud de onda desintonizada con respecto a la resonancia óptica del dispositivo (con precisión sub-picómetrica). Una vez que se realizan ambas alineaciones, el sistema debe adquirir los espectros mecánicos de los dispositivos muy rápidamente y extraer información sobre sus diferentes frecuencias de resonancia mecánicas.
LabVIEW permite sincronizar las señales provenientes de los diferentes fotodetectores, junto con el control de dos láseres infrarrojos sintonizables, dos etapas de nanoposicionamiento XYZ y un Sistema de adquisición de frecuencias ultra altas, para poder realizar de forma automática las tareas previamente descritas. La sincronización de todos estos sistemas resulta crítica en este Proyecto. El software también dota al Sistema de una arquitectura flexible y adaptada al crecimiento futuro con posibles nuevos módulos o subsistemas.
Adicionalmente, el Sistema de control LabVIEW, permite la configuración de distintos experimientos que serán llevados a cabo por el Sistema automáticamente durante días, consiguiendo tenerlo alineado durante todo el tiempo que dura este proceso. Esta automatización ha simplificado enormemente el Sistema experimental en cuanto a su uso y control. Además, permite monitorear distintos módos: un modo óptico y cuatro modos mecánicos diferentes con una precisión relativa por debajo de 10-6 lo que permite un mayor alcance en las investigaciones.
Actualmente los esfuerzos están dirigidos a detectar las vibraciones incluso con los sensores sumergidos en líquido, entorno natural para la biología. Al mismo tiempo, se quiere aplicar la técnica para la detección de más tipos de bacterias y virus, incluso llegar a conocer en qué estado de su ciclo vital.
Posteriormente, se buscará la aplicación de esta técnica en células humanas, para ser capaces de distinguir células sanas de células cancerígenas, lo que permitiría detectar cancer en estados muy tempranos, mucho antes que los métodos actuales.
Conclusión
Las investigaciones y desarrollos actuales han evidenciado la posibilidad de aplicar nuevas técnicas de detección de agentes infecciosos como virus o bacterias mediante sus frecuencias de resonancia ópticas y mecánicas. Contar con una tecnología que permita identificar de forma inmediata los patógenos que causan una infección es fundamental para proporcionar los medicamentos más efectivos al paciente, así como para limitar la propagación de una infección o pandemia como la sufrida con el SARS-CoV-2. Los avances en espectroscopía mecánica buscan desarrollar y comercializar esta tecnología e implantarla en hospitales entre los próximos tres y cinco años.
Las investigaciones y desarrollos actuales han evidenciado la posibilidad de aplicar nuevas técnicas de detección de agentes infecciosos como virus o bacterias mediante sus frecuencias de resonancia ópticas y mecánicas. Contar con una tecnología que permita identificar de forma inmediata los patógenos que causan una infección es fundamental para proporcionar los medicamentos más efectivos al paciente, así como para limitar la propagación de una infección o pandemia como la sufrida con el SARS-CoV-2. Los avances en espectroscopía mecánica buscan desarrollar y comercializar esta tecnología e implantarla en hospitales entre los próximos tres y cinco años.
Autores
Eduardo Gil Santos (co-lider del estudio en CSIC)
Daniel Murmann Veras (MLVC)
Javier Ruiz de Velasco González (MLVC), Silvia Ávila Sánchez (MLVC)
Eduardo Gil Santos (co-lider del estudio en CSIC)
Daniel Murmann Veras (MLVC)
Javier Ruiz de Velasco González (MLVC), Silvia Ávila Sánchez (MLVC)