💭 Open Vision Nubble (pl)

Ogólne informacje na temat instalacji do wykrywania wirusa SARS-CoV-2 w przestrzeni i podstawy jej działania.

Problematyka

Nowoczesne testy medyczne do wykrywania SARS-CoV-2 (w mediach — koronawirus lub COVID-19) oparte są na analizie biochemicznej. Przewidują one złożone testy laboratoryjne, które wymagają obecności fachowców. Samodzielne wykorzystanie przez pacjenta (bez udziału lekarza) systemów testowych na COVID-19 poza laboratorium, jak również wykrycie obecności wirusa w powietrzu w danym obszarze, jest obecnie niemożliwe.

To właśnie te dwa problemy potencjalnie rozwiązuje oferowana przez naszych naukowców technologia.

Rozwiązanie

Aby wykryć obecność wirusa w otaczającej przestrzeni o określonych parametrach (w tym koronawirusa), proponujemy rozważenie hipotezy zastosowania podejścia nie biochemicznego, a fizycznego opartego na binarnym systemie oceny wskaźników.
Nie wymaga stosowania istniejących testów medycznych opartych na reakcjach chemicznych z odczynnikami.

Proste, niedrogie urządzenie umożliwi niezawodne i natychmiastowe w rzeczywistym czasie (czas analizy próbki powietrza — 1–5 minut) wykrycie obecności/braku wirusa SARS-CoV-2 w powietrzu.

Łącząc ekspertyzę z naszego portfolio projektów opracowujemy kompleksowy ekosystem diagnostyki i kontroli rozprzestrzeniania się wirusa: od urządzenia Nubble i prognozowania ryzyka rozprzestrzeniania się wirusa, w tym automatycznego powiadamiania o jego potencjalnych nośnikach na podstawie danych operacyjnych z każdego aktywowanego urządzenia (secure cloud access), do aplikacji obok.me z funkcjami paszportu odpornościowego (verifiable credentials, Self Sovereign Identity (SSI)-enabled blockchain-based) i monitoring realtime bezpiecznych przestrzeni publicznych.

W konsekwencji przestrzenie publiczne / mały biznes/lotniska/taksówki / sektor usług będą mogły powrócić do normalnego funkcjonowania utrzymując stabilność gospodarki.

Zasada działania instalacji i jej konstrukcja

Rys. 1. Schemat blokowy instalacji

Etap 0

Pobranie porcji powietrza z otaczającej przestrzeni

W etapie 0 porcja powietrza wraz ze znajdującymi się w nim najmniejszymi cząstkami jest wciągana przez urządzenie z otaczającej przestrzeni do jednostki A.

Rys. 2. Jednostka A z odczynnikiem po uruchomieniu systemu

Jednostka A zawiera przedział wypełniony specjalnym odczynnikiem (żelem), laser pikosekundowy, pułapkę optyczną, a także generator pola elektrycznego i generator promieniowania mikrofalowego.

Etap 1

Zapewnienie selektywności

Pobrane cząstki (cząsteczki, wirusy, bakterie) na przemian wpadają w pułapkę optyczną, gdzie utrzymywane są w środowisku żelowym w utrwalonej pozycji względem przestrzeni, co pozwala na znaczne ograniczenie składnika oscylacyjnego.

Rys. 3. Cząstki wraz z powietrzem kierowane są do jednostki A

Laser pikosekundowy skierowany w środek pułapki optycznej zapewnia wybijanie z niej cząstek o częstotliwości impulsu 10 do –12 potęngi, tworząc w ten sposób warunki do naprzemiennego utrzymywania cząstek z powietrza.

Rys. 4. Laser pikosekundowy

Etap 2

Niszczenie wiązań chemicznych utrwalonej cząstki

Najnowsze badania naukowe wykazały, że kapsyd koronawirusa (jego otoczka białkowa) ulega zniszczeniu po wystawieniu na działanie promieniowania mikrofalowego o mocy 100 W przy częstotliwości 2.45 GHz. Po wystawieniu kapsydu koronawirusa na działanie tego typu promieniowania dochodzi do zerwania wiązań chemicznych w otoczce białkowej.

W jednostce A powstaje promieniowanie mikrofalowe o opisanych powyżej parametrach. Ich promieniowanie jest kierowane na obszar przecięcia laserów, w którym powstaje pułapka optyczna, i obecnie jest zatrzymywana cząstka (wirus).

Rys. 5. Pułapka optyczna

W warunkach utrwalania w żelu i pułapce optycznej oscylacyjny składnik cząstki zależy tylko od jego własnej budowy.

Instalacja początkowo ustawiona jest na charakterystyczny zakres oscylacji kapsydu koronawirusa i nie niszczy wiązań chemicznych cząsteczek innego typu.

Niszczenie wiązań chemicznych

Pod warunkiem, że uśredniona częstotliwość oscylacji cząsteczki wirusa w przestrzeni jest określona (co jest naszym celem, aby przyciągnąć laboratoria wirusowe do współpracy), a następnie dostarczając oscylacje elektromagnetyczne o tej samej częstotliwości, ale w fazie przeciwfazowej, całkowite oscylacje mogą być zrekompensowane, co rozerwie cząsteczkę kosztem sił wewnętrznych.

Zerwanie nastąpi przez najsłabsze więzi. W przypadku, gdy częstotliwość i moc promieniowania mikrofalowego będą bliższe częstotliwości oscylacji C-C, wówczas zerwanie odbędzie się przede wszystkim w wiązaniach C-H, a następnie C-C, co pozwoli na rozerwanie białka na dużą liczbę aminokwasów.

Alternatywnym rozwiązaniem jest zastosowanie fal nie w fazie przeciwfazowej, ale w tej samej fazie co oscylacje cząsteczki białka, dzięki czemu ogólne swobodne oscylacje białka zostaną podwojone. W przypadku, gdy energia oscylacji przekroczy energię C-C, C-H i innych pierwiastków, wówczas dane wiązania wewnątrz białka mogą zostać zerwane, a następnie uwolnione aminokwasy i wolne rodniki.

Etap 3

Rejestracja uwalniania wolnych rodników poprzez rejestrowanie występowania krótkotrwałych zaburzeń w polu elektrycznym

Uwalnianie wolnych rodników

Instalacja rejestruje niszczenie wiązań chemicznych cząstki w poniższy sposób:

W przypadku pęknięcia kapsydu koronawirusa lub związków chemicznych jego otoczki białkowej uwalniane są wolne rodniki z dodatkowym występowaniem aminokwasów i innych cząstek.

Wolne rodniki będące cząstkami z niesparowanymi elektronami na zewnętrznej powłoce elektronowej nieustannie dążą do pożyczania dodatkowych elektronów na ich orbitę elektronową od innych cząsteczek. Z tego powodu wchodzą w interakcję z cząsteczkami, od których można uzyskać takie elektrony.

W pierwszym etapie wokół pułapki optycznej instalacja tworzy pole elektryczne, w którym interakcja wolnych rodników z cząsteczkami, nośnikami elektronów, stworzy proces przenoszenia elektronu z jednej orbity na drugą.

Ponieważ proces ten przebiega w warunkach pola elektrycznego, to oddziaływanie wolnych rodników z transportem naładowanej cząstki w polu elektrycznym spowoduje krótkotrwały prąd elektryczny, co spowoduje zaburzenia w ogólnym polu elektrycznym jednostki A.

Etap 4

Analiza otrzymanych danych. Binarny system oceny

Rys. 6. Przesyłanie danych z jednostki A do jednostki B, również znajdującej się wewnątrz instalacji

Jednostka B zawiera system czujników optycznych i elektromagnetycznych do rejestrowania zaburzeń w polu elektrycznym jednostki A.

Dwa wyniki wydarzeń:

1. YES. Czujnik zarejestrował zaburzenia w polu elektrycznym.

Ponieważ ustawienie jest początkowo dostosowane tylko do predefiniowanego danego składnika oscylacyjnego kapsydu koronawirusa, zarejestrowane uwalnianie wolnych rodników wskazywałoby na obecność koronawirusa w pobranej części powietrza z cząstkami.

Jeśli cząsteczka lub inna cząstka ma tryb oscylacyjny niższy lub wyższy nawet o 0,1 ułamka danej cząsteczki, rezonans nie nastąpi.

Dane są przesyłane do jednostki C odpowiedzialnej za ich przetwarzanie, interakcję z bezpiecznym serwisem monitorowania w chmurze i lokalizacją wirusa.

Wirus wykryty w pobranej porcji powietrza

2. NO. Czujnik nie zarejestrował zaburzenia w polu elektrycznym.

Brak zaburzeń w przebiegu pierwszych trzech procesów oznacza, że nie doszło do reakcji z zerwaniem wiązań chemicznych i w pobranej porcji nie ma koronawirusa.

Wytłoczenie zatrzymanej cząstki

W przypadku braku rejestrowania zaburzeń w polu elektrycznym (w etapie 4), laser pikosekundowy wybija zatrzymaną cząstkę z pułapki optycznej, tworząc w ten sposób warunki, aby inna cząstka wpadła w pułapkę optyczną, po czym następuje cykliczne powtarzanie etapów 2–4, aż do wykrycia zaburzeń w polu elektrycznym jednostki A.

Cele i zadania badań laboratoryjnych

W warunkach laboratoryjnych zostaną przeprowadzone 2 rodzaje prac.

1. Określenie trybu oscylacyjnego kapsydu koronawirusa w warunkach utrzymywania koronawirusa w pułapce optycznej, a następnie określenie najbardziej odpowiedniego rodzaju fali, która powoduje zerwanie wiązań chemicznych koronawirusa przez przekroczenie energii tych wiązań
2. Ze względu na obecność wstępnych danych dotyczących rodzaju fali zdolnej do niszczenia kapsydu koronawirusa, planowane jest oddziaływanie na koronawirusa promieniowaniem mikrofalowym o mocy 100 W przy częstotliwości 2.45 GHz i badanie reakcji na to promieniowanie mikrofalowe.

Wniosek

Technologia wykorzystuje do wykrywania koronawirusa poniższe zjawiska i procesy:

1. Pułapkę optyczną, dzięki której wirus jest zatrzymywany przez pewien czas.
2. Generator promieniowania mikrofalowego, którego celem jest spowodowanie zerwania wiązań chemicznych w celu uwolnienia wolnych rodników.
3. Zjawisko interakcji wolnych rodników z zapożyczeniem elektronów, które w warunkach pola elektrycznego generuje krótkotrwały prąd elektryczny.
4. System czujników optycznych i elektromagnetycznych do rejestrowania zjawisk fizycznych.

Instalacja jest dostosowana tylko do składnika oscylacyjnego kapsydu koronawirusa, więc obecność wolnych rodników wskazywałaby obecność koronawirusa w danej porcji powietrza z cząstkami.

Jeśli cząsteczka lub inna cząstka ma tryb oscylacyjny niższy lub wyższy nawet o 0,1 ułamka danej cząsteczki, rezonans nie nastąpi.

Bieżące (minimalne) dane techniczne prototypu

1. Wymiary: 20x40 cm;
2. Przestrzeń skanowania na jedno urządzenie: 2–2.5 m2 (możliwe zwiększenie wydajności poprzez zwiększenie mocy jednostki próżniowej);
3. Zasilanie z baterii lub sieci;
4. Szybkość diagnostyki: od 1 do 5 minut (ze względu na szybkość reakcji fizycznych: każda instalacja przebiera za 1 sekundę ok. 12 milionów cząstek, cząsteczek)

Zastosowania:

1. Instalacja systemu w pomieszczeniach mieszkalnych;
2. Instalacja w miejscach publicznych (sklepy, kawiarnie, kina, parki, biura, przedsiębiorstwa, lotniska itp.);
3. Instalacja w pojazdach.

Porównanie z istniejącymi rozwiązaniami diagnostycznymi koronawirusa

Metody chemiczne i chemiczno-biologiczne

Istniejące metody testowania nie są w stanie wykryć koronawirusa w otaczającej przestrzeni.

Testy ekspresowe (15 min.) — diagnoza opiera się na metodzie pośredniej, testy ekspresowe określają obecność w organizmie nie koronawirusa, ale przeciwciał i na tej podstawie wnioskują o możliwej obecności wirusa. Systemy te określają przeciwciała, które organizm zaczyna wytwarzać nie wcześniej niż tydzień po zakażeniu.

Najdokładniejszą i najbardziej niezawodną metodą diagnozowania infekcji wirusowej u ludzi jest test PCR. Do uzyskania jednak wyniku w warunkach laboratoryjnych potrzebne są około 5 godzin.

Nubble (czas trwania niezawodnego testu-1–5 min.) — zapewnia możliwość wykrycia obecności koronawirusa w otaczającej przestrzeni.

Metody fizyczne

Obecnie istnieje wiele rozwiązań, które pozwalają określić w porcji cząstek jeden lub drugi element: spektrometry, spektrometry mas, analizatory biochemiczne, chemiczne, spektrometry optyczno-emisyjne, analizatory laserowe itp.

Wszystko to jest bardzo precyzyjnym urządzeniem o dużych rozmiarach i jest eksploatowane wyłącznie przez specjalistów. Przetwarzanie danych zajmuje nie jedną godzinę.

Nasza koncepcja nie analizuje składu jednego lub drugiego elementu, nie określa widma drgań cząsteczki lub wirusa. Pozwala wiarygodnie je wykryć lub potwierdzić ich brak na podstawie warunków występowania powyższych zjawisk fizycznych w obecności lub braku określonego typu wirusa.

Ta zasada działania umożliwia stworzenie systemu, który początkowo jest skoncentrowany na wykrywaniu konkretnego wirusa za pomocą binarnego systemu oceny, co umożliwia kompaktowy rozmiar instalacji, niezależność od obecności specjalistów i uzyskanie odpowiedzi w ciągu 1 minuty.

Zespół projektu

Autorzy hipotezy naukowej: Denis i Aleksiej Zimnickie.

Działalność naukowa braci Zimnickich rozpoczęła się w 2012 roku wraz z opracowaniem projektu Emolyze — koncepcji bezdotykowej diagnostyki stanu narządów w celu wykrycia różnego rodzaju chorób.

Projekt został pomyślnie zaprezentowany w ramach Startup.Network, Ukraina, zakończono fazę budowy prototypu (jest w fazie testów R&D).

Pod koniec 2018 r. przy wsparciu Angel Investor Viktor Konovalov (CEO, partner w projektach Marsarra i Emolyze) bracia Zimnickie zaprezentowali projekt Marsarra w zakresie syntezy substancji bez użycia chemii, który został wyróżniony na konkursie NASA CO2 Conversion Challenge.

Innowacyjne technologie na skrzyżowaniu medycyny i fizyki stały się głównym przedmiotem badań braci Zimnickich.

Wyniki badań braci Zimnickich w projekcie Emolyze przekształciły się w opracowanie koncepcji Nubble polegającej na wykryciu obecności koronawirusa w otaczającej przestrzeni na podstawie reakcji fizycznych, a nie przyjętych ogólnie — chemicznych.

Obecnie koncepcja jest w procesie walidacji z wieloma zainteresowanymi laboratoriami, gotowe są elementy funkcjonalne urządzenia MVP umożliwiające wykrycie obecności koronawirusa w danej przestrzeni powietrznej.

Głównym problemem, który stoi teraz przed nami, jest dostęp do badań laboratoryjnych i wirusa Covid-19 oraz weryfikacja hipotezy możliwości określenia charakterystycznego zakresu oscylacji koronawirusa.

Zgodnie z ideologią Equal access to technology zespół projektowy otworzył szerokiej społeczności naukowej wszystkie osiągnięcia w celu przyspieszenia procesu praktycznej implementacj

💬 Kontakt

Nubble.me

Additional publications:

🤔 Open Vision Nubble FAQ
🤝 Equal access to technology: Open Manifesto
🛎️ Поддержать проект

Sources:

1. Coronavirus envelope protein: current knowledge
2. Efficient Structure Resonance Energy Transfer from Microwaves to Confined Acoustic Vibrations in Viruses
3. Focus on Receptors for Coronaviruses with Special Reference to Angiotensin-converting Enzyme 2 as a Potential Drug Target — A Perspective.
4. Inactivation of the coronavirus that induces severe acute respiratory syndrome, SARS-CoV
5. Optical manipulation of a single human virus for study of viral-cell interactions
6. Optical trapping
7. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria
8. Optical Trapping, Sizing, and Probing Acoustic Modes of a Small Virus
9. Optical Tweezers to Study Viruses
10. Biochemical sensing in graphene-enhanced microfiber resonators with individual molecule sensitivity and selectivity.
11. Barnes, Levi.(2005). Energy-resolved positron-molecule annihilation: vibrational Feshbach resonances and bound states.
12. Low Frequency Mechanical Modes of Viral Capsids: An Atomistic Approach