La progettazione di biosensori sensibili e monouso per la diagnosi precoce rimane una sfida importante. Scienziati cinesi hanno inventato laser submonostrato su fibre ottiche come biosensori ultrasensibili e usa e getta.
È stato ottenuto un miglioramento di sei ordini di grandezza nel limite inferiore di rilevamento (LOD) rispetto ai laser monostrato saturi. Hanno dimostrato un test immunologico ultrasensibile per un biomarcatore della malattia di Parkinson, l'alfa-sinucleina (α-syn), con un LOD inferiore di 0,32 pM nel siero.
La diagnosi precoce di malattie come il cancro e la demenza, prima che si manifestino sintomi gravi e irreversibili, è di notevole importanza per la salute pubblica e può contribuire a ridurre la morbilità e la mortalità. Nella fase iniziale di una malattia, è difficile stimare con precisione le concentrazioni estremamente basse di biomarcatori.
Negli ultimi due decenni le microcavità ottiche si sono evolute come una potente piattaforma per amplificare i segnali ottici con un forte feedback sulla cavità e sono state ampiamente utilizzate per l'analisi biologica. La forte dipendenza dalle delicate procedure di fabbricazione e dal requisito essenziale di accoppiamento, tuttavia, è altamente indesiderabile per i biosensori monouso.
In un nuovo articolo pubblicato su Light:Science &Applications , un team di scienziati, guidato dal professor Yuan Gong del Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications (Ministero dell'Istruzione cinese), Scuola di ingegneria dell'informazione e della comunicazione, Università di scienza e tecnologia elettronica della Cina, Chengdu, Cina, e altri -i lavoratori hanno sviluppato biolaser submonostrato su fibra ottica come biosensori ultrasensibili e usa e getta.
Hanno realizzato la produzione in serie di biolaser submonostrato a costi trascurabili utilizzando microcavità di fibra ottica distribuite su una lunghezza straordinaria di 10 km e con fattori Q ultraelevati di 10 6 . In netto contrasto con le microcavità passive, il pompaggio e il rilevamento di biolaser submonostrato possono essere comodamente eseguiti mediante ottica a spazio libero, che elimina la dipendenza dall'accoppiamento critico della guida d'onda e, cosa più importante, consentendo lo sviluppo di biosensori monouso con sensibilità ultraelevata.
Ancora più sorprendente, spingendo le molecole di guadagno fino alla densità di soglia, hanno dimostrato che il biolaser submonostrato mostra un miglioramento di sei ordini di grandezza nel limite inferiore di rilevamento (LOD) rispetto al biolaser monostrato.
Il team ha inoltre dimostrato che il biolaser submonostrato può essere potenzialmente utilizzato nella diagnosi clinica. Hanno utilizzato il biolaser submonostrato per rilevare un biomarcatore della malattia di Parkinson (PD) nel siero e hanno ottenuto un LOD inferiore di 0,32 pM. Questo risultato è di circa tre ordini di grandezza inferiore alla concentrazione di α-syn nel siero dei pazienti con malattia di Parkinson. Il metodo proposto offre un grande potenziale nella diagnosi clinica ad alto rendimento con la massima sensibilità.
Gli scienziati riassumono il meccanismo del biolaser submonostrato, dicendo:"Abbiamo scoperto che il biolaser submonostrato con guadagno ottico leggermente superiore alla soglia laser ha la sensibilità più alta. Questo fenomeno può essere spiegato dal contributo delle molecole di guadagno nell'azione laser.
"Ad esempio, quando 10.000 molecole di guadagno partecipano al laser, il contributo medio di ciascuna molecola è 1/10.000. Una volta diminuiti le molecole di guadagno a 100, il contributo medio di ciascuna molecola aumenterà a 1/100. Il legame di un analita molecola sulla fibra ottica aumenterà un ulteriore sito di legame per una molecola di guadagno. Pertanto, ci si può aspettare una sensibilità più elevata con [un] biolaser con meno molecole di guadagno.
"Abbiamo scelto la fibra ottica commerciale come [a] microcavità per dimostrare questa ipotesi. La geometria e le proprietà superficiali della fibra ottica erano ben controllate durante il processo di trafilatura della fibra. La fibra ottica può essere considerata come microcavità distribuite con prestazioni altamente riproducibili.
"Nel frattempo, il prezzo della fibra ottica è molto basso, rendendo possibili sensori usa e getta. Ad esempio, il prezzo della fibra ottica SMF-28e utilizzata nel nostro esperimento è di circa 0,5 dollari al metro. Il laser submonostrato è fabbricato con un segmento di fibra di circa 2 cm lungo, corrispondente ad un costo trascurabile di circa $ 0,01.
"Il biolaser submonostrato è una piattaforma di rilevamento generale, che può essere impiegata per rilevare tipi di biomarcatori. I biosensori laser monouso con sensibilità ultraelevata potrebbero consentire una diagnosi precoce ed economica delle principali malattie."
Ulteriori informazioni: Chaoyang Gong et al, Biolaser submonostrato per il rilevamento di biomarcatori ultrasensibili, Luce:scienza e applicazioni (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01335-8
Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni
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