Docent Kazuhiro Takahashi och biträdande professor Yong-Joon Choi vid Institutionen för elektrisk och elektronisk informationsteknik vid Toyohashi tekniska universitet har utvecklat ett chip som kan känna av antigener i en del per kvadrillion molmassa. Chippet skapades med hjälp av halvledarteknik. Antigener härledda från sjukdomar och som finns i blod och saliv vidhäftades på ytan av ett flexibelt deformerbart nanoskikt. Mängden kraft som genereras under interaktionen mellan vidhäftade antigener omvandlades sedan till information om nanoskiktdeformation för att framgångsrikt kunna upptäcka specifika antigener. Skapad med halvledarteknik bearbetad i millimeter skala, Detta sensorchip förväntas bidra till telemedicin genom att fungera som en IoT -biosensor som gör att antigen- och antikroppstester kan utföras hemifrån.

Mätanordningen detekterar enkelt och snabbt sjukdomar med en liten mängd blod, urin, saliv, eller annan kroppsvätska, och kommer att vara ett viktigt verktyg för att korrekt diagnostisera sjukdomar, verifiera behandlingsresultat, och kolla efter återfall och metastaser. Forskning bedrivs om en biosensor som kan mäta behandlingsresultat och patologiska reaktioner genom att detektera DNA, RNA och proteiner som finns i sådan vätska. Denna teknik har nyligen väckt intresse över hela världen, med antigen- och antikroppsdetektering som ofta används för att upptäcka och bestämma förekomsten av nya coronavirusinfektioner. Vidare, bland COVID-19-patienter, rapporter tyder på att patienter med allvarliga symtom visar skillnader i flera proteinkoncentrationer i blodet jämfört med patienter med lindriga symtom. Genom att undersöka sådana markörer, denna teknik förväntas användas för att förutsäga sjukdomens svårighetsgrad.

Nuvarande detektionsenheter är inte digitaliserade, och kräver visuell bekräftelse av färgförändringar med hjälp av ett märkningsmedel. Att läsa det stora utbudet av markörer är tidskrävande, och har försvårat implementeringen av IoT -enheter. Forskargruppen utvecklar ett mikrosensorchip som kontrollerar sjukdomar med hjälp av ett flexibelt deformerbart nanoskikt tillverkat med halvledarmikromaskinteknik. Först, en antikropp som fångar de riktade antigenerna fixeras på nanoskiktet, och deformationer till en tunn film som orsakas av elektriska avstötningar bland de vidhäftade antigenerna mäts. För att förbättra känsligheten till den punkt där membranet som antigenerna fäster vid blir tunt och mjukt, organiska nanoskikt två gånger mjukare än halvledarkisel används. Detta förväntas förbättra sensorkänsligheten till en storlek som är dubbelt så stor som konventionella kiselbaserade sensorer. Dessutom, utvecklingen fortsätter på signaldetekteringsteknik som använder en smarttelefonkamera för att upptäcka deformation av nanoskikt.

Med denna sensor, som är utformad för känsliga förändringar i vidhäftning av biomolekyler, antikroppen måste fixeras till nanoskiktet i förväg för att fånga antigenet, och frågor som rör filmnedbrytning kan göra denna process svår. Forskargruppen optimerade densiteten för antikroppar att fästa vid ett nanomembran med justerbar tjocklek, skapa en biosensor som endast detekterar antigener med specifikt hög känslighet. Dessutom, eftersom det är möjligt att detektera deformation till nanoskiktet orsakat av vidhäftade molekyler i realtid, tekniken förväntas möjliggöra snabb upptäckt av sjukdomsbaserade molekyler. Biosensorn som utvecklades i detta projekt användes i ett experiment för att detektera albumin, ett protein som finns i blodet. Experimentet upptäckte framgångsrikt ett femtogram (15 atomol i molkoncentration) av antigen i en milliliter. Med minimigränsen för detektering nästan ekvivalent med den för storskaliga detektionsanordningar som använder märkningsmedel, denna enhet förväntas möjliggöra ultrakänslig detektion i en bärbar skala.

Går framåt, forskargruppen planerar att genomföra försök med halvledarsensorer för att upptäcka markörer för allvarliga symptom på COVID-19-infektion. Förutom bloddetektering, kemiska sensorer utvecklas för att upptäcka lukt och kemiska ämnen. Vi tror att vi kan bidra till ett IoT-baserat samhälle genom att skapa nya, småskaliga sensorenheter en verklighet. Byte av sondmolekyl på ytan av vårt nanoskikt, tekniken kan användas för att upptäcka virus samtidigt som det upptäcker en mängd olika biomarkörer. Genom att göra dessa biosensorer vanliga i samhället, vi strävar efter att bidra till telemedicin, så att läkardiagnoser kan utföras hemifrån.