I ricercatori dell'OIST creano un nuovo sensore in grado di misurare sia la carica che la massa delle biomolecole con potenziali applicazioni nella diagnostica sanitaria.

Le piattaforme microfluidica hanno rivoluzionato la diagnostica medica negli ultimi anni. Invece di inviare campioni di sangue o di urina a un laboratorio per l'analisi, i medici possono testare una singola goccia di sangue o urina di un paziente per varie malattie al punto di cura senza la necessità di strumenti costosi. Tuttavia, prima che il campione possa essere testato, i medici devono inserire biomolecole specifiche per la rilevazione della malattia nella piattaforma microfluidica. Mentre lo fai, deve essere assicurato che queste biomolecole siano ben legate all'interno del dispositivo per proteggerle dall'essere espulse dal campione in arrivo. Poiché questa fase preparatoria può richiedere molto tempo, sarebbe vantaggioso se le piattaforme microfluidiche potessero venire pre-preparate con specifiche biomolecole sigillate all'interno. Però, questo processo di sigillatura richiede l'esposizione dei componenti del dispositivo ad alta energia o gas "ionizzato" e non è noto se le biomolecole possano sopravvivere a questo duro processo.

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno creato un nuovo sensore che rileva le biomolecole in modo più accurato che mai. Questo sensore è stato utilizzato per dimostrare che le biomolecole possono essere sigillate con successo all'interno di dispositivi microfluidici. I risultati hanno profonde implicazioni per la diagnostica sanitaria e aprono opportunità per la produzione di dispositivi per analisi del sangue o delle urine con piattaforma microfluidica preconfezionata.

Tradizionalmente, I sensori a semiconduttore a ossido di metallo (MOS) vengono utilizzati per rilevare il legame di biomolecole a una superficie misurando le variazioni di carica. Composto da uno strato semiconduttore di silicio, uno strato isolante in vetro e uno strato in metallo dorato, questi sensori sono incorporati in un circuito elettrico con la biomolecola seduta in un pozzetto di plastica riempito di elettrolita sopra il sensore. Se poi si applica una tensione e si misura la corrente, puoi calcolare la carica dalla lettura della capacità emessa. Biomolecole con cariche diverse ti daranno letture di capacità diverse, consentendo di quantificare la presenza di biomolecole.

Il nuovo sensore creato dai ricercatori dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidica dell'OIST, misura la carica utilizzando la stessa tecnica dei sensori convenzionali ma ha la funzione aggiuntiva di misurare la massa. Invece di avere uno strato di metallo dorato massiccio, il cosiddetto sensore a semiconduttore nano-metallo-isolante (nMIS) ha uno strato di minuscole isole di metallo dorato. Se fai luce su queste nanostrutture, gli elettroni di superficie iniziano ad oscillare ad una frequenza specifica. Quando le biomolecole vengono aggiunte a queste nanoisole, la frequenza di queste oscillazioni cambia proporzionalmente alla massa della biomolecola. Sulla base di questo cambiamento, puoi usare questa tecnica per misurare la massa della biomolecola, e confermare se sopravvive all'esposizione al gas ionizzato durante l'incapsulamento all'interno della piattaforma microfluidica.

"Abbiamo realizzato un sensore semplice in grado di rispondere a domande molto complesse sulla chimica delle superfici, " afferma il Dr. Nikhil Bhalla che ha lavorato alla creazione del sensore nMIS.

Misurare due proprietà fondamentali delle reazioni chimiche superficiali sullo stesso dispositivo significa che i ricercatori possono essere molto più sicuri che le biomolecole siano state incapsulate con successo all'interno della piattaforma microfluidica. Una misurazione della carica o della massa da sola potrebbe essere fuorviante, facendo sembrare che le biomolecole si siano legate a una superficie quando in realtà non lo sono. Having more than one technique in the same device means that you can switch from one mode to the other to see if you have the same result.

"Scientists have to validate one reaction with multiple techniques to confirm that an observation is authentic. If you've got a sensor that enables the detection of two parameters on a single platform, then it is really beneficial for the sensing community, " says Dr. Bhalla.

"By combining these two simple measurement techniques into one compact platform, it opens doors to create portable and reliable sensing technologies in the future", adds PhD student Shivani Sathish.

In a proof-of-concept experiment, by combining information about both the mass and charge of the biomolecule, the scientists were able to show that a common biomolecule survives exposure to ionized gas at a specific energy level. A single reading of charge alone gives a misleading result, but looking at the complementary parameters together allows for more accurate biomolecule detection.

This novel nMIS sensor could be used to create microfluidic platforms that test for various diseases. By measuring charge and mass using the nMIS sensor, researchers can ensure that disease-detecting biomolecules are successfully sealed and functional inside the testing device.

"It would be like a pre-packaged pregnancy test, " says Professor Amy Shen, head of OIST's Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "If there is already something adsorbed then all you have to do is introduce whatever sample you are using, such as urine or blood."

It might also be possible to combine several biomarkers in the same device to test for different diseases at the same time. By integrating this dual sensing technology with the ready-to-use devices, it offers great promise in the field of healthcare diagnostics owing to its advantages of portability and point-of-care testing.