Un grupo de ingenieros de la Universidad Johns Hopkins ha desarrollado un método nuevo y más potente para observar vibraciones moleculares, un avance que podría tener profundas implicaciones en la detección temprana de enfermedades.

El equipo, liderado por el profesor de ingeniería mecánica Ishan Barman, ha demostrado por primera vez cómo utilizar la luz para formar estados híbridos especiales con las moléculas, permitiendo detectar las vibraciones más mínimas con mayor claridad y precisión.

En el ámbito sanitario, este nuevo método de detección molecular podría identificar biomarcadores de enfermedad en sangre, saliva o orina de forma más temprana y precisa. Además, podría tener otras aplicaciones médicas más amplias: en la industria farmacéutica, permitiría monitorizar en tiempo real reacciones químicas complejas para garantizar la consistencia y seguridad de los productos; en ciencias ambientales, detectaría contaminantes traza o compuestos nocivos con una fiabilidad sin precedentes.

Las vibraciones moleculares —los movimientos diminutos y únicos de los átomos dentro de las moléculas— proporcionan una “huella dactilar” química que puede revelar la presencia de enfermedades, desde infecciones y trastornos metabólicos hasta cáncer.

Los científicos suelen emplear técnicas como la espectroscopía infrarroja y Raman para detectar estas vibraciones, pero estos métodos tienen limitaciones fundamentales: las señales en las que se basan suelen ser muy débiles, fácilmente ahogadas por ruido de fondo y difíciles de separar en entornos biológicos complejos como sangre o tejido.

“Intentamos superar un desafío de larga data en el campo de la detección molecular: cómo hacer que la detección óptica de moléculas sea más sensible, robusta y adaptable a condiciones del mundo real”, dijo Barman, que también trabaja en el Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center y en el Departamento de Radiología y Ciencias Radiológicas de la Facultad de Medicina de Johns Hopkins.

“En lugar de intentar mejorar incrementalmente los métodos tradicionales, nos planteamos una pregunta más fundamental: ¿qué pasaría si pudiéramos rediseñar la forma en que la luz interactúa con la materia para crear una nueva modalidad de detección completamente distinta?”

El equipo de investigación utilizó espejos de oro de alta reflectividad para formar una cavidad óptica que atrapa la luz y la hace rebotar repetidamente, aumentando enormemente la interacción entre la luz y las moléculas encerradas. El campo luminoso confinado y las vibraciones moleculares se entrelazan, formando un nuevo estado cuántico denominado “polaritón vibracional”.

El equipo logró realizar esta hazaña en condiciones reales, sin necesidad de alto vacío, temperaturas criogénicas u otros entornos extremos que suelen requerirse para preservar estados cuánticos frágiles. El autor principal del estudio, el investigador asociado Peng Zheng del Departamento de Ingeniería Mecánica de Johns Hopkins, afirmó que la investigación detalla cómo pasar del concepto a una plataforma operativa de “detección con polaritones vibracionales cuánticos” y que podría dar lugar a una nueva clase de sensores ópticos cuánticos.

Zheng dijo: “Ahora podemos diseñar el entorno cuántico alrededor de las moléculas y utilizar estados de polaritón vibracional para amplificar selectivamente la huella óptica de las moléculas, en lugar de detectarlas pasivamente”.

El estudio emplea principios cuánticos de una manera nueva que no requiere infraestructura tradicional, marcando un hito importante en el desarrollo del emergente campo de las tecnologías cuánticas ambientales. La visión final de Barman es diseñar dispositivos compactos a nivel de microchip que integren estas tecnologías cuánticas en herramientas portátiles de diagnóstico inmediato y métodos de diagnóstico basados en inteligencia artificial.

Barman afirmó: “El futuro de la detección cuántica no está limitado al laboratorio; tendrá impacto real en medicina, biofabricación y otros campos”.