Med inget annat än ett fotoniskt chip och en vanlig kamera, EPFL-forskare har lyckats räkna biomolekyler en efter en i ett litet urval och bestämma deras position. Deras lilla enhet – ett äktenskap av optik och smart bildanalys – kan till och med upptäcka ett grafenark som bara är en enda atom tjockt. Den här typen av sensorer kan en dag spela en nyckelroll i personlig medicin. Kredit:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
I en inte alltför avlägsen framtid, människor kan ha en enkel enhet som övervakar och rapporterar hälsoindikatorer, identifierar även spårmängder av oönskade biomarkörer i blodet eller saliven och fungerar som ett tidigt varningssystem för sjukdomar. Detta är ett av löftena om personlig medicin.
En sådan teknisk revolution kan komma ett steg närmare tack vare ett kraftfullt verktyg utvecklat av forskare vid EPFL:s BioNanoPhotonic Systems (BIOS) Laboratory. Den består av en ultratunn, miniatyriserat optiskt chip tillsammans med en standard CMOS-kamera och drivs av bildanalys, som räknar biomolekyler individuellt i ett prov och bestämmer deras plats. Deras forskning har publicerats i Nature Photonics .
En mycket kraftfull sensor
Denna teknik är baserad på metasytor, en ny utveckling inom fotonikområdet. Metasytor är ark av konstgjorda material täckta av miljontals element i nanostorlek arrangerade på ett speciellt sätt. Vid en viss frekvens, dessa element kan pressa ljus till extremt små volymer, skapa ultrakänsliga optiska hotspots.
När ljus lyser på metaytan och träffar en molekyl vid en av dessa hotspots, molekylen detekteras omedelbart. Faktiskt, molekylen ger sig själv genom att ändra våglängden på ljuset som träffar den.
Skanna molekyler och ta deras bild
Genom att lysa färgade ljus i olika färger på metaytan och ta en bild varje gång med en CMOS-kamera, forskarna kan räkna antalet molekyler i ett prov och lära sig exakt vad som händer på sensorchippet. "Vi använder sedan smarta datavetenskapliga verktyg för att analysera de miljontals CMOS-pixlar som erhålls genom denna process och identifiera trender, " säger Filiz Yesilkoy, artikelns första författare. "Vi har visat att vi kan upptäcka och avbilda inte bara enskilda biomolekyler vid hotspots, men till och med ett enda grafenark som bara är en atom tjockt."
Att ta sitt arbete ett steg längre, forskarna utvecklade en andra version av sitt system, med metasytor programmerade att ge resonans vid olika våglängder i olika regioner. "Denna teknik är enklare, men det är också mindre exakt när det gäller att lokalisera molekylerna, " säger Eduardo R. Arvelo, en av artikelns medförfattare.
Hatice Altug, som driver BIOS-labbet och leder projektet vid Ingenjörshögskolan, ser en enorm potential inom optikområdet. "Ljus har många egenskaper – som intensitet, fas och polarisation – och kan korsa rymden. Detta innebär att optiska sensorer kan spela en viktig roll för att möta framtida utmaningar – särskilt inom personlig medicin."
