En ny plasmonisk sensor utvecklad av forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign kommer att fungera som en pålitlig tidig upptäckt av biomarkörer för många former av cancer och så småningom andra sjukdomar.

Sensorn har visat sig vara tillförlitlig för att detektera förekomsten av cancerbiomarkören carcinoembryonic antigen (CEA) till storleken 1 nanogram per milliliter. De flesta människor bär åtminstone några mängder CEA med ett genomsnittligt intervall på 3-5 nanogram per milliliter. Forskarna valde att fokusera på CEA eftersom dess närvaro i högre koncentrationer är en tidig indikator på många former av cancer, inklusive lung- och prostatacancer.

"Cancer är en av de största dödsorsakerna i USA eftersom mer än hälften av de nya patienterna diagnostiseras efter att den redan har spridit sig, "Ameen förklarade." Detta visar hur allvarligt detta problem måste hanteras och den nya konstruktionen av en plasmonisk sensor hjälper till att upptäcka den lägre koncentrationen av CEA vid ett tidigare tillstånd. "

Plasmoniska sensorn är en förbättring av den nuvarande toppmoderna metoden av några skäl. Först, den kunde förbättra detektionsgränsen med minst två storleksordningar. Faktiskt, de flesta metoder kan inte exakt upptäcka förekomsten av CEA förrän den når en högre koncentration.

För det andra, eftersom det fungerar med mycket mindre instrumentering, det är billigare och mer bärbart och kräver inte så mycket expertis för att kunna läsa. Det betyder också att istället för att behöva en flaska blod för ett test, en enkel fingerprick kommer att göra. Denna aspekt kommer att vara särskilt viktig för dem som inte bor nära en avancerad medicinsk anläggning, inklusive dem i utvecklingsländer.

Forskargruppen leddes av Logan Liu, och Lynford Goddard, docenter i el- och datateknik med studenterna Abid Ameen och Lisa Hackett som genomför projektet. Teamet publicerade sina resultat i Avancerade optiska material som omslagsartikel.

Enheten kombinerar två avkänningsmetoder, som inte förrän denna tid hade kunnat användas tillsammans. Först, den använder en 3D-flerskikts nanokavitet i en nanokopplingsmatris, vilket gör det möjligt för ljuset att lagras i hålrummet som består av två metallskikt (i detta fall guld) som omger ett isolatorskikt.

För det andra, den använder plasmonisk avkänning, som detekterar känsliga nanoskala ljus-materia-interaktioner med biomolekyler på enhetens yta. Det ger en förbättrad fältbegränsning och ett förbättrat lokaliserat fält. På grund av den plasmoniska strukturen, ljuset kopplas ut mer effektivt när det omgivande brytningsindexet ändras.

"Genom att kombinera plasmoniska egenskaper och de optiska kavitetsegenskaperna tillsammans i en enhet kan vi detektera lägre koncentration av biomarkör genom ljusinslutning och överföring i kavitetsskiktet respektive från enhetens ovansida, baserat på tjockleken på flerlagren och brytningsindexet för kavitetslagret, "Förklarade Ameen.

"Nanocup -arrayen ger extraordinär optisk överföring, "Tillade Hackett." Om du tar en tunn metallfilm och försöker skina ljus genom den, det kommer nästan inget ljus att överföras. Men om du lägger en periodisk uppsättning nanohål, eller i vårt fall en nanocup -struktur, det du ser är ett resonansvillkor där vid en viss våglängd, du kommer att ha en topp i överföringen genom den här enheten. "

Eftersom resonansen förändras vid en enda våglängd och eftersom spektralfunktionerna har referensplatser, excitation och detektion kan göras på ett tillförlitligt sätt utan någon specialutrustning. Med den här enheten, en LED-ljuskälla kan användas istället för en laser och en fotocell eller kamerabild kan användas istället för en avancerad spektrometer.

"På grund av vår flerskikts högpresterande plasmoniska struktur, vi kunde mycket effektivt sprida ut ljuset till det bortre fältet, "Sa Hackett." När du ökar brytningsindexet för avkänningsområdet, det får den lagrade energin att kopplas ut. Vanligtvis när du har dessa typer av refraktometriska plasmoniska sensorer, du har en förskjutning i vinkeln eller en förändring i din våglängd när resonansvillkoret är uppfyllt. I vårat fall, eftersom vi har införlivat en nanokavitet, vi har en fast resonansvåglängd. "

När koncentrationen av biomolekyler (i detta fall CEA) ökar, det gör brytningsindexet också, vilket ger en ökning av överföringsintensiteten vid en fast våglängd som lätt kan detekteras.

"Vad det betyder i framtiden är att vi kan ta den här sensorn, som vi har optimerat och införlivat med en LED och har den mest kompakta instrumenten, faktiskt ingen sofistikerad instrumentering alls, "Ameen sa." Detta möjliggör högpresterande plasmonisk avkänning förmågan att gå mot bärbara avkänningssystem och bärbara sensorer i stor skala. "

Tills vidare, detekteringsmetoder för cancerbiomarkörer implementeras hos högriskpatienter, särskilt cancerpatienter i remission. De tar tid, specialutrustning, och är arbetskrävande.

I framtiden, dock, på grund av den här metodens bärbarhet och billiga natur, det kan lättare administreras till alla patienter vid rutinmässiga kontroller. Detta skulle möjliggöra för personer med en förhöjd koncentration av CEA redan innan cancerceller sprids i kroppen.

"Just nu upptäcks cancer närmare slutskedet, "Noterade Ameen." Vi vill upptäcka det så tidigt som möjligt. Vår enhet ger oss den möjligheten. "

Medan denna studie visade påvisning i ett litet humant serumprov, metoden kan användas för att upptäcka andra sjukdomar på vägen.

"I framtiden, om de är mycket kostnadseffektiva och bärbara, "Hackett sa, "Det skulle vara fantastiskt att se människor kunna ta mer kontroll över sin hälsa och övervaka något sådant på egen hand."