Att identifiera en patients virusinfektion eller diagnostisera en blodsjukdom kräver vanligtvis ett labb och skickliga tekniker. Men forskare vid Princeton University har utvecklat en ny teknik som går långt mot att ersätta labbet med ett enda mikrochip.

I ett viktigt steg mot att utföra medicinska diagnoser med hjälp av handhållna enheter, forskarna har anpassat kiselchipsteknik liknande den som finns i persondatorer och mobiltelefoner för att fungera som en biosensor. Tekniken använder små metallskikt inbäddade i ett mikrochip för att eliminera all komplex och skrymmande optisk instrumentering som används i diagnoslabben. Som ett resultat, det nya systemet är nästan lika litet som en nypa salt, och mycket billigare att tillverka än nuvarande diagnossystem.

"Nyckelidén är att tillåta komplexa optiska system i moderna chips, " sa Kaushik Sengupta, en biträdande professor i elektroteknik och en av projektets ledare. "Alla smartphones har en kamera med miljonpixlar. Hur gör vi detta till en enhet som tillåter diagnostik av laboratoriekvalitet?"

En kommersiell fluorescensbaserad biosensor bär vanligtvis en rad klassiska optiska komponenter inklusive flera filteruppsättningar, linser och galler. Ju känsligare systemet är, desto dyrare och mer skrymmande är installationen.

"Vi visar att dessa komplexa optiska biosensorsystem också kan realiseras i samma teknik utan absolut ingen förändring i tillverkningen av mikrochipet, sa Sengupta.

Forskarna fann att små metallskikt som redan är inbyggda i moderna mikrochips relativt enkelt kan anpassas för att dra fördel av ljusets ovanliga beteende när de interagerar med strukturer som är mindre än en enda våglängd av ljus. Att utnyttja ljuset på detta sätt möjliggör detektering av tusentals biologiska ämnen från bakteriellt DNA till hormoner. Och eftersom moderna mikrochips redan är designade för att vara extremt små, dessa strukturer kan tillverkas med standardtillverkningstekniker, sa Sengupta.

Även om det krävs mer arbete, forskarna hoppas att tekniken kommer att leda till diagnostiska system som finns i ett piller eller distribueras på en smartphone.

"Vi visar för första gången att denna nivå av optisk fältmanipulation är möjlig i ett kiselchip. Genom att eliminera all klassisk optik, systemet är nu tillräckligt litet för att du skulle kunna börja tänka på att lägga det i ett piller, "Sa Sengupta. "Du kan börja tänka på diagnostik inuti kroppen på ett sätt som du inte kunde tänka på tidigare."

I två tidningar, den första publicerade 12 september, 2018, i tidningen ACS Fotonik och den andra den 1 nov. 2018, i Biomedicinsk Optik Express , forskarna rapporterade att de har utvecklat en sensor som kan detektera molekyler som DNA och proteiner i prover så små som en mikroliter med känslighet jämförbar med kommersiell instrumentering i diagnostiska laboratorier. (Det finns cirka 50 mikroliter i en droppe vatten.)

Det nya sensorchipset, som en klassisk labbuppställning, detekterar riktade molekyler genom att använda kemiska antikroppar som är utformade för att reagera i närvaro av en specifik molekyl. Antikropparna modifieras för att generera ljus vid en specifik våglängd (fluorescerar) när de exponeras för målet.

I ett standardlabb, Antikropparna placeras i små brunnar på en testplatta ungefär lika stor som ett spelkort. För att göra enheten tillräckligt liten för att passa på spån som mäter 4 mm per sida, Sengupta och hans grupp arbetade med gruppen ledd av Haw Yang, en kemiprofessor, att utveckla nya tekniker för att förbereda och distribuera antikropparna. Jobbar som team mellan två labb på Princeton, forskarna kunde designa en platta med 96 antikroppssensorer som är tillräckligt liten för att passa på chipet.

Som i ett standardlabb, den lilla plattan exponeras för ett testprov, vanligtvis en vätska. Antikroppar som kommer i kontakt med sin specifika målmolekyl lyser svagt rött när de utsätts för ultraviolett ljus. Tyvärr, det röda skenet är otroligt svagt jämfört med det ultravioletta ljuset som används för att utlösa det. Det utgjorde ett av de viktigaste hindren för forskarna.

"Ljusförhållandet är mördaren, ", sa Sengupta. "Vi lyser mellan 10 miljoner och 100 miljoner fotoner mot målet för varje foton som vi får tillbaka."

Mycket av utrymmet som tas upp i en vanlig bordsdetektor består av optik och linser som används för att filtrera detta lilla röda sken för att skilja det från utlösande ljus. Den nya tekniken gör det möjligt för forskarna att göra sig av med detta system genom att använda små metallskikt inbäddade i mikrochippet för att bearbeta ljuset.

"När du kombinerar denna massivt skalbara optik med en miljard transistorer i samma chip, en helt ny uppsättning möjligheter öppnar sig. För att göra saker så små, vi var tvungna att göra dem på ett fundamentalt annorlunda sätt, sa Sengupta.

Eftersom de små strukturerna är inbyggda i kiselchipet, forskarna sa att systemet kan massproduceras och inte kräver detaljerad montering i ett labb. Sengupta sa att möjligheten att snabbt och billigt tillverka enheten kommer att vara avgörande för den eventuella produktionen av ny avkänningsutrustning.

"När vi gör diagnostiken billigare, säger Sengupta, "vi kan möjliggöra diagnostik i utvecklingsländerna. Och det är inte bara diagnostik. Det vi har kommit fram till här är bara en låg kostnad, liten fluorescerande sensor, och du kan använda fluorescerande avkänning i många olika saker:för övervakning av mat- och vattenkvalitet, miljöövervakning, och industriella tillämpningar."