L'identificazione dell'infezione virale di un paziente o la diagnosi di una malattia del sangue di solito richiede un laboratorio e tecnici qualificati. Ma i ricercatori della Princeton University hanno sviluppato una nuova tecnologia che fa molto per sostituire il laboratorio con un singolo microchip.

In un passo importante verso l'esecuzione di diagnosi mediche utilizzando dispositivi portatili, i ricercatori hanno adattato la tecnologia dei chip di silicio simile a quella che si trova nei personal computer e nei telefoni cellulari per funzionare come biosensore. La tecnologia utilizza minuscoli strati di metallo incorporati in un microchip per eliminare tutta la strumentazione ottica complessa e ingombrante impiegata nei laboratori diagnostici. Di conseguenza, il nuovo sistema è piccolo quasi quanto un granello di sale, e molto meno costoso da produrre rispetto agli attuali sistemi diagnostici.

"L'idea chiave è quella di consentire sistemi ottici complessi nei chip moderni, " disse Kaushik Sengupta, un assistente professore di ingegneria elettrica e uno dei leader del progetto. "Tutti gli smartphone sono dotati di una fotocamera da un milione di pixel. Come possiamo trasformarlo in un dispositivo che consente una diagnostica di qualità da laboratorio?"

Un biosensore commerciale basato sulla fluorescenza in genere trasporta una serie di componenti ottici classici tra cui più set di filtri, lenti e reticoli. Più il sistema è sensibile, più costoso e ingombrante è l'installazione.

"Mostriamo che questi complessi sistemi di biosensori ottici possono essere realizzati anche con la stessa tecnologia senza alcun cambiamento nella produzione del microchip, " ha detto Sengupta.

I ricercatori hanno scoperto che minuscoli strati di metallo già incorporati nei moderni microchip possono essere adattati relativamente facilmente per sfruttare il comportamento insolito della luce quando interagiscono con strutture più piccole di una singola lunghezza d'onda della luce. Sfruttare la luce in questo modo consente di rilevare migliaia di sostanze biologiche dal DNA batterico agli ormoni. E poiché i moderni microchip sono già progettati per essere estremamente piccoli, queste strutture possono essere realizzate utilizzando tecniche di fabbricazione standard, disse Sengupta.

Sebbene sia necessario più lavoro, i ricercatori sperano che la tecnologia porti a sistemi diagnostici contenuti in una pillola o distribuiti su uno smartphone.

"Mostriamo per la prima volta che questo livello di manipolazione del campo ottico è possibile in un chip di silicio. Eliminando tutte le ottiche classiche, il sistema ora è abbastanza piccolo che potresti iniziare a pensare di metterlo in una pillola, " Disse Sengupta. "Potresti iniziare a pensare alla diagnostica all'interno del corpo in un modo a cui non potevi pensare prima".

In due carte, il primo pubblicato il 12 settembre, 2018, nel diario Fotonica ACS e il secondo il 1 novembre, 2018, in Ottica biomedica Express , i ricercatori hanno riferito di aver sviluppato un sensore in grado di rilevare molecole come DNA e proteine ​​in campioni piccoli come un microlitro con sensibilità paragonabili alla strumentazione commerciale in laboratorio diagnostico. (Ci sono circa 50 microlitri in una goccia d'acqua.)

Il nuovo chip sensore, come una classica configurazione da laboratorio, rileva le molecole mirate utilizzando anticorpi chimici progettati per reagire in presenza di una molecola specifica. Gli anticorpi vengono modificati per generare luce a una lunghezza d'onda specifica (fluorescenza) quando sono esposti al bersaglio.

In un laboratorio standard, gli anticorpi sono posti in piccoli pozzetti su una piastra di prova delle dimensioni di una carta da gioco. Per rendere il gruppo abbastanza piccolo da adattarsi a un chip di 4 mm per lato, Sengupta e il suo gruppo hanno lavorato con il gruppo guidato da Haw Yang, un professore di chimica, sviluppare nuove tecniche per preparare e distribuire gli anticorpi. Lavorando in team tra due laboratori a Princeton, i ricercatori sono stati in grado di progettare una piastra con 96 sensori di anticorpi abbastanza piccola da adattarsi al chip.

Come in un laboratorio standard, la piastrina è esposta a un campione di prova, tipicamente un liquido. Gli anticorpi che entrano in contatto con la loro specifica molecola bersaglio si illumineranno di un debole rosso quando esposti alla luce ultravioletta. Sfortunatamente, il bagliore rosso è incredibilmente debole rispetto alla luce ultravioletta utilizzata per attivarlo. Questo ha presentato uno degli ostacoli più significativi per i ricercatori.

"Il rapporto tra la luce è l'assassino, " Ha detto Sengupta. "Stiamo brillando tra 10 milioni e 100 milioni di fotoni sul bersaglio per ogni fotone che otteniamo".

Gran parte dello spazio occupato in un rilevatore da tavolo standard è costituito da ottiche e lenti utilizzate per filtrare questo minuscolo bagliore rosso per distinguerlo dal flusso della luce di attivazione. La nuova tecnologia consente ai ricercatori di eliminare questo sistema utilizzando minuscoli strati di metallo incorporati nel microchip per elaborare la luce.

"Quando combini queste ottiche estremamente scalabili con un miliardo di transistor in uno stesso chip, si apre un nuovo insieme di possibilità. Per rendere le cose così piccole, dovevamo farli in un modo fondamentalmente diverso, " ha detto Sengupta.

Poiché le minuscole strutture sono costruite nel chip di silicio, i ricercatori hanno affermato che il sistema può essere prodotto in serie e non richiede un assemblaggio dettagliato in un laboratorio. Sengupta ha affermato che la capacità di produrre il dispositivo in modo rapido ed economico sarà fondamentale per l'eventuale produzione di nuove apparecchiature di rilevamento.

"Una volta che renderemo la diagnostica più economica, "dice Sengupta, "possiamo abilitare la diagnostica nei paesi in via di sviluppo. E non si tratta solo di diagnostica. Quello che abbiamo trovato qui è solo un a basso costo, minuscolo sensore fluorescente, e puoi utilizzare il rilevamento fluorescente in molte cose diverse:per il monitoraggio della qualità del cibo e dell'acqua, monitoraggio ambientale, e applicazioni industriali".