«Современные методы измерения уровней биомаркеров дороги и сложны, требуют биопсии и анализа в специализированных лабораториях», – сказала руководитель исследовательской группы Соня М. Гарсия-Бланко из Университета Твенте в Нидерландах. «Новая технология, которую мы разработали, открывает путь к более быстрому и сверхчувствительному обнаружению панелей биомаркеров, что позволит врачам принимать своевременные решения, улучшающие индивидуальную диагностику и лечение заболеваний, включая рак."
В журнале Оптического общества (OSA) Optics Letters, мультиинституциональная группа исследователей, финансируемая европейским проектом GLAM (Стеклянный мультиплексированный биосенсор) H2020, показывает, что новый датчик может выполнять безметочное обнаружение S100A4, белка, связанного с человеческим организмом. развитие опухоли на клинически значимых уровнях.
«Биосенсор может позволить устройствам в местах оказания медицинской помощи одновременно проверять различные заболевания», – сказал Гарсиа-Бланко. «Его работа проста и не требует сложной обработки образцов или работы с датчиком, что делает его отличным кандидатом для клинического применения."
Исследователи говорят, что датчик имеет потенциал и для небиомедицинских приложений. Например, его также можно использовать для обнаружения различных типов газов или смесей жидкостей.
Создание высокочувствительного сенсора
Новый сенсор на основе чипа обнаруживает присутствие определенных молекул, освещая образец светом лазера на микродиске на чипе.
Когда свет взаимодействует с интересующим биомаркером, цвет или частота этого лазерного света изменяется заметным образом.
Чтобы выполнить обнаружение в образцах мочи, исследователям нужно было выяснить, как интегрировать лазер, который мог бы работать в жидкой среде. Они обратились к фотонному материалу из оксида алюминия, потому что при легировании ионами иттербия его можно использовать для изготовления лазера, который излучает в диапазоне длин волн за пределами полосы поглощения света воды, при этом обеспечивая точное обнаружение биомаркеров.
«Хотя датчики, основанные на мониторинге частотных сдвигов лазеров, уже существуют, они часто имеют геометрию, которую нелегко интегрировать в небольшие одноразовые фотонные чипы», – сказал Гарсиа-Бланко. «Оксид алюминия можно легко изготавливать монолитно на кристалле, и он совместим со стандартными процедурами изготовления электроники.
Это означает, что датчики могут производиться в крупных промышленных масштабах."
Использование микродискового лазера вместо кольцевых резонаторов без генерации, используемых в других подобных датчиках, открывает дверь к беспрецедентной чувствительности.
Чувствительность обусловлена тем, что ширина линии генерации намного уже резонансов пассивных кольцевых резонаторов. После устранения других источников шума, таких как тепловой шум, этот метод позволит обнаруживать очень небольшие частотные сдвиги от биомаркеров при очень низких концентрациях.
Определение минутных концентраций биомаркеров
После разработки и применения обработки поверхности, которая улавливает интересующие биомаркеры в сложных жидкостях, таких как моча, исследователи протестировали новый датчик с синтетической мочой, содержащей известные уровни биомаркеров.
Они смогли обнаружить S100A4 при концентрациях всего 300 пикомолярных.
«Обнаружение в этом диапазоне концентраций показывает потенциал платформы для безметочного биочувствительного анализа», – сказал Гарсиа-Бланко. "Кроме того, модуль обнаружения потенциально можно сделать очень простым с использованием разработанной технологии, что сделает его еще на шаг ближе к конечному применению вне лаборатории."
Исследователи работают над тем, чтобы встроить в чип все соответствующие оптические источники и компоненты генерации сигналов, чтобы сделать устройство еще проще в эксплуатации.
Они также хотят разработать различные покрытия, которые позволят параллельно обнаруживать большое количество биомаркеров.