Luce della pompa accoppiata al dispositivo prodotta laser in un risonatore microring. La superficie del risonatore contiene sonde (molecole di ancoraggio rosse sull'anello) che catturano gli analiti di interesse. La luce laser nell'anello si estende nel fluido. Quando gli analiti di interesse (triangoli blu) si attaccano alle sonde di cattura, questo è rilevato dal campo al di fuori del laser a microanello, spostando la frequenza dell'emissione laser. Questo spostamento può essere misurato in modo molto preciso consentendo il rilevamento di quantità minime di analiti che fluiscono sul sensore in un modo "specifico" (cioè, le particelle rosa non si legano allo strato di cattura e quindi non vengono rilevate). Nella figura, le guide d'onda sono verdi (colore reale prodotto dall'upconversion dei droganti che inducono l'emissione laser) e si può vedere un canale microfluidico in cui diverse particelle scorrono da sinistra a destra. Credito:Rick Seubers, gruppo di scienze ottiche, Università di Twente
Per la prima volta, i ricercatori hanno utilizzato un sensore basato su chip con un laser integrato per rilevare livelli molto bassi di un biomarcatore di proteine cancerose in un campione di urina. La nuova tecnologia è più sensibile di altri progetti e potrebbe portare a modi non invasivi ed economici per rilevare molecole che indicano la presenza o la progressione di una malattia.
"I metodi attuali per misurare i livelli di biomarcatori sono costosi e sofisticati, che richiedono biopsie e analisi in laboratori specializzati, " ha affermato la leader del gruppo di ricerca Sonia M. Garcia-Blanco dell'Università di Twente nei Paesi Bassi. "La nuova tecnologia che abbiamo sviluppato apre la strada a un rilevamento più rapido e ultrasensibile di pannelli di biomarcatori che consentiranno ai medici di prendere decisioni tempestive che migliorano diagnosi e trattamento personalizzati delle condizioni mediche, compreso il cancro".
Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , un gruppo multi-istituzionale di ricercatori finanziato dal progetto europeo H2020 GLAM (Glass multiplexed biosensor), mostra che il nuovo sensore può eseguire il rilevamento senza etichetta di S100A4, una proteina associata allo sviluppo del tumore umano, a livelli clinicamente rilevanti.
"Il biosensore potrebbe abilitare dispositivi point-of-care che schermano simultaneamente varie malattie, " ha affermato Garcia-Blanco. "Il suo funzionamento è semplice e non richiede complicati trattamenti del campione o funzionamento del sensore, rendendolo un ottimo candidato per le applicazioni cliniche."
I ricercatori affermano che il sensore ha un potenziale per applicazioni non biomediche, anche. Per esempio, può essere utilizzato anche per rilevare diversi tipi di gas o miscele liquide.
Creazione di un sensore ad alta sensibilità
Il nuovo sensore basato su chip rileva la presenza di molecole specifiche illuminando il campione con la luce di un laser a microdisco su chip. Quando la luce interagisce con il biomarcatore di interesse il colore, o frequenza, di questa luce laser si sposta in modo rilevabile.
Per eseguire il rilevamento nei campioni di urina, i ricercatori hanno dovuto capire come integrare un laser in grado di operare in un ambiente liquido. Si sono rivolti al materiale fotonico ossido di alluminio, perché quando drogato con ioni itterbio può essere utilizzato per fabbricare un laser che emette in una gamma di lunghezze d'onda al di fuori della banda di assorbimento della luce dell'acqua, pur consentendo il rilevamento preciso dei biomarcatori.
"Sebbene esistano già sensori basati sul monitoraggio degli spostamenti di frequenza dei laser, spesso si presentano in geometrie non facilmente integrabili su piccoli, chip fotonici eliminabili, " ha detto Garcia-Blanco. "L'ossido di alluminio può essere facilmente fabbricato monoliticamente su chip ed è compatibile con le procedure di fabbricazione elettronica standard. Ciò significa che i sensori possono essere prodotti su un grande, scala industriale."
L'uso di un laser a microdisk anziché dei risonatori ad anello non laser utilizzati in altri sensori simili apre le porte a una sensibilità senza precedenti. La sensibilità deriva dal fatto che la larghezza di linea del laser è molto più stretta delle risonanze dei risonatori ad anello passivi. Una volta che altre fonti di rumore, come il rumore termico, vengono eliminati, questo metodo consentirà la rilevazione di spostamenti di frequenza molto piccoli da biomarcatori a concentrazioni molto basse.
Rilevamento di concentrazioni minime di biomarcatori
Dopo aver sviluppato e applicato un trattamento superficiale che cattura i biomarcatori di interesse in liquidi complessi come l'urina, i ricercatori hanno testato il nuovo sensore con urina sintetica contenente livelli noti di biomarcatori. Sono stati in grado di rilevare S100A4 a concentrazioni fino a 300 picomolari.
"Il rilevamento in questo intervallo di concentrazione mostra il potenziale della piattaforma per il biorilevamento senza etichetta, " disse Garcia-Blanco. "Inoltre, il modulo di rilevamento può essere potenzialmente reso molto semplice utilizzando la tecnologia sviluppata, portandolo un passo più vicino all'applicazione finale al di fuori del laboratorio."
I ricercatori stanno lavorando per incorporare tutte le sorgenti ottiche rilevanti e i componenti di generazione del segnale nel chip per rendere il dispositivo ancora più semplice da usare. Vogliono anche sviluppare vari rivestimenti che potrebbero consentire il rilevamento parallelo di una grande varietà di biomarcatori.
