Pumpljus kopplat till enheten producerade laserande i en mikroringsresonator. Ytan på resonatorn innehåller sonder (röda ankarmolekyler på ringen) som fångar de intressanta analyterna. Laserljuset i ringen sträcker sig in i vätskan. När analyter av intresse (blå trianglar) fäster vid infångningssonderna, detta avkänns av fältet utanför mikroringlasern, förskjutning av frekvensen för laseremissionen. Denna förskjutning kan mätas mycket exakt och möjliggör detektering av små mängder analyter som flödar över sensorn på ett "specifikt" sätt (d.v.s. de rosa partiklarna binder inte till infångningsskiktet och detekteras därför inte). I figuren, vågledaren är grön (verklig färg produceras genom uppkonvertering av dopämnena som inducerar laseremissionen) och en mikrofluidisk kanal kan ses i vilken olika partiklar strömmar från vänster till höger. Kredit:Rick Seubers, Grupp för optiska vetenskaper, Universitetet i Twente
För första gången, Forskare har använt en chipbaserad sensor med integrerad laser för att upptäcka mycket låga nivåer av en biomarkör för cancerprotein i ett urinprov. Den nya tekniken är känsligare än andra konstruktioner och kan leda till icke-invasiva och billiga sätt att upptäcka molekyler som indikerar förekomst eller progression av en sjukdom.
"Nuvarande metoder för att mäta nivåer av biomarkörer är dyra och sofistikerade, kräver biopsier och analyser i specialiserade laboratorier, " sa forskargruppsledaren Sonia M. Garcia-Blanco från University of Twente i Nederländerna. "Den nya tekniken vi utvecklade banar vägen för snabbare och ultrakänslig detektering av paneler av biomarkörer som gör det möjligt för läkare att fatta snabba beslut som förbättrar personlig diagnos och behandling av medicinska tillstånd inklusive cancer."
I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver , en multiinstitutionell grupp av forskare finansierad av det europeiska H2020-projektet GLAM (Glass multiplexed biosensor), visar att den nya sensorn kan utföra etikettfri detektering av S100A4, ett protein associerat med mänsklig tumörutveckling, på nivåer som är kliniskt relevanta.
"Biosensorn kan möjliggöra point-of-care-enheter som samtidigt screenar för olika sjukdomar, ", sa Garcia-Blanco. "Dess funktion är enkel och kräver inte komplicerade provbehandlingar eller sensordrift, vilket gör den till en utmärkt kandidat för kliniska tillämpningar."
Forskarna säger att sensorn har potential för icke-biomedicinska tillämpningar, också. Till exempel, den kan också användas för att detektera olika typer av gaser eller vätskeblandningar.
Skapa en högkänslig sensor
Den nya chipbaserade sensorn upptäcker närvaron av specifika molekyler genom att belysa provet med ljus från en on-chip mikrodisklaser. När ljuset interagerar med biomarkören av intresse färgen, eller frekvens, av detta laserljus skiftar på ett detekterbart sätt.
För att utföra detektion i urinprov, forskarna var tvungna att ta reda på hur man integrerade en laser som kunde fungera i en flytande miljö. De vände sig till det fotoniska materialet aluminiumoxid, eftersom den när den är dopad med ytterbiumjoner kan användas för att tillverka en laser som sänder ut i ett våglängdsområde utanför vattnets ljusabsorptionsband samtidigt som den möjliggör exakt detektering av biomarkörerna.
"Även om sensorer baserade på övervakning av frekvensförskjutningar av lasrar redan finns, de finns ofta i geometrier som inte är lätta att integrera på små, fotoniska engångschips, ", sa Garcia-Blanco. "Aluminiumoxid kan lätt tillverkas monolitiskt på chipet och är kompatibel med standard elektroniska tillverkningsprocedurer. Detta innebär att sensorerna kan produceras på en stor, industriell skala."
Att använda en mikrodisklaser istället för de icke-laserande ringresonatorerna som används i andra liknande sensorer öppnar dörren till oöverträffad känslighet. Känsligheten kommer från det faktum att lasrlinjebredden är mycket smalare än resonanserna för passiva ringresonatorer. När andra bullerkällor, som termiskt brus, är eliminerade, denna metod kommer att tillåta detektering av mycket små frekvensförskjutningar från biomarkörer vid mycket låga koncentrationer.
Upptäcker små biomarkörkoncentrationer
Efter att ha utvecklat och applicerat en ytbehandling som fångar biomarkörerna av intresse i komplexa vätskor som urin, forskarna testade den nya sensorn med syntetisk urin som innehåller kända biomarkörnivåer. De kunde detektera S100A4 vid koncentrationer så låga som 300 picomolar.
"Detektion i detta koncentrationsintervall visar potentialen hos plattformen för etikettfri biosensing, sade Garcia-Blanco. Dessutom, detektionsmodulen kan potentiellt göras mycket enkel med den utvecklade tekniken, för det ett steg närmare den slutliga applikationen utanför laboratoriet."
Forskarna arbetar med att införliva alla relevanta optiska källor och signalgenereringskomponenter på chippet för att göra enheten ännu enklare att använda. De vill också utveckla olika beläggningar som kan möjliggöra parallell detektering av ett stort antal biomarkörer.
