Forskare har utvecklat en unik metod för bläckstråleutskrift för tillverkning av små biokompatibla polymermikrodisklasrar för bioavkänningstillämpningar. Tillvägagångssättet möjliggör produktion av både laser och sensor i rumstemperatur, utomhusmiljö, potentiellt möjliggöra nya användningar av bioavkänningstekniker för hälsoövervakning och sjukdomsdiagnostik.

"Möjligheten att använda en billig och bärbar kommersiell bläckstråleskrivare för att tillverka en sensor i en omgivande miljö skulle kunna göra det möjligt att producera biosensorer på plats efter behov, " sa forskargruppsledaren Hiroaki Yoshioka från Kyushu University i Japan. "Detta kan hjälpa till att göra biosensing utbredd även i ekonomiskt missgynnade länder och regioner, där det kan användas för enkla biokemiska tester, inklusive de för upptäckt av patogener."

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optical Materials Express , forskarna beskriver förmågan att skriva ut mikrodisklasrar så små som diametern på ett människohår från en specialutvecklad polymer som heter FC-V-50. De visar också att mikrodiskarna framgångsrikt kan användas för biosensing med det mycket använda biotin-avidin-systemet.

"Vår teknik kan användas för att skriva ut på nästan alla underlag, ", sa Yoshioka. "Detta betyder att det en dag kan vara möjligt att skriva ut en sensor för hälsoövervakning direkt på ytan av en persons nagel, till exempel."

Eliminera värmen

Många av dagens biosensorer använder den starka interaktionen mellan molekylerna biotin och avidin för att upptäcka närvaron av proteiner som indikerar infektion eller sjukdom. Detta innebär vanligtvis att märka en molekyl av intresse med biotin och sedan detektera när avidin binder till den.

Ett sätt att mäta biotin-avidinbindning är att lägga till ett biotinmärkt protein till ytan av en optisk mikrokavitet som fungerar som en miniatyrlaser. När avidin binder till biotinet i mikrohålan, dess optiska egenskaper ändras tillräckligt för att förskjuta ljusutsläpp på ett sätt som kan användas för att detektera bindning.

Dock, modifieringsprocessen som krävs för att tillföra biotin till ytan av mikrohåligheter är tråkig och tidskrävande. Det kräver också värmebehandlingar med hög temperatur som inte är kompatibla med alla material, såsom polymerer.

"Vi utvecklade en organisk mikrodisklaser för optisk kavitet för biosensing med FC-V-50, " sa Yoshioka. "Denna speciella bläckstrålepolymer har en karboxylfunktionell grupp som är kompatibel med biotin, vilket eliminerar behovet av alla typer av värmebehandling."

Utskrift av sensorer

För att producera mikrodisklasrar, forskarna utvecklade ett bläck som innehöll FC-V-50 och ett laserfärgämne. Ett piezoelement inbäddat i ett bläckstrålemunstycke ungefär lika stort som ett hårstrå tillåter en enkel, liten bläckdroppe som ska matas ut när en spänning appliceras. När den är torr, denna tryckta droppe kommer att avge ljus när excitationsljus appliceras. När ljuset färdas längs skivans inre omkrets förstärks det för att generera laserljus.

För att göra mikrodisklasern till en sensor, forskarna skrev ut en mikrodisk med deras bläckstrålemetod och lade sedan till reagenser som gjorde att biotin kunde immobiliseras på ytan vid rumstemperatur. De använde sedan ljus för att excitera mikrodisklasern under ett mikroskop och mätte referenslaseremissionsspektrumet. Nästa, de hällde avidinlösningen på ytan av disketten och tvättade bort allt som inte binder till biotinet. Laseremissionen mättes igen för att se hur den avvek från referensspektrumet.

För att testa metoden, forskarna tillverkade biosensorer och mätte deras förmåga att detektera streptavidinprotein i olika koncentrationer. De kunde detektera ett maximalt lägesskift på 0,02 nanometer för en koncentration av streptavidin på 0,1 miljondelar. Nu när de har visat förmågan att skriva ut fungerande biosensorer, de planerar att ytterligare utvärdera och optimera sensorprestanda. Bärbara anordningar för att mäta ljusemissionen skulle också behöva utvecklas för att sensorerna ska användas på vårdplatsen.