Att designa känsliga biosensorer för engångsbruk för tidig diagnos är fortfarande en stor utmaning. Forskare i Kina har uppfunnit submonolagerlasrar på optiska fibrer som ultrakänsliga och engångsbiosensorer.
En förbättring av den nedre detektionsgränsen (LOD) av sex storleksordningar jämfört med mättade enskiktslasrar erhölls. De visade en ultrakänslig immunanalys för en biomarkör för Parkinsons sjukdom, alfa-synuklein (α-syn), med en lägre LOD på 0,32 pM i serum.
Tidig upptäckt av sjukdomar som cancer och demens, innan de visar allvarliga, irreversibla symtom, är av stor betydelse för folkhälsan och kan bidra till att minska sjuklighet och dödlighet. I ett tidigt skede av en sjukdom är det svårt att exakt uppskatta de extremt låga koncentrationerna av biomarkörer.
Optiska mikrokaviteter har utvecklats som en kraftfull plattform för att förstärka optiska signaler med stark kavitetsåterkoppling under de senaste två decennierna, och de har använts i stor utsträckning för biologisk analys. Det starka beroendet av känsliga tillverkningsprocedurer och det väsentliga kopplingskravet är dock högst oönskat för biosensorer för engångsbruk.
I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett team av forskare, ledda av professor Yuan Gong från Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications (Ministry of Education of China), School of Information and Communication Engineering, University of Electronic Science and Technology i Kina, Chengdu, Kina, och co. -Arbetare har utvecklat submonolager biolasrar på optisk fiber som ultrakänsliga och engångsbiosensorer.
De realiserade massproduktion av submonolager-biolasrarna till en försumbar kostnad genom att använda optiska fibermikrohålrum som var fördelade över en extraordinär längd av 10 km och hade ultrahöga Q-faktorer på 10 6 . I slående kontrast till passiva mikrokaviteter kan pumpning och detektering av submonolager-biolasrar bekvämt utföras av optik med fritt utrymme, vilket eliminerar beroendet av kritisk vågledarkoppling, och ännu viktigare, möjliggör utveckling av engångsbiosensorer med ultrahög känslighet.
Mer överraskande, genom att trycka ner förstärkningsmolekylerna till tröskeldensiteten, visade de att biolasern under monolager visar en förbättring av sex storleksordningar i den nedre detektionsgränsen (LOD) jämfört med monolagerbiolasern.
Teamet visade också att deras submonolager biolaser potentiellt kan användas i klinisk diagnos. De använde submonolagerbiolasern för att detektera en biomarkör för Parkinsons sjukdom (PD) i serum och erhöll en lägre LOD på 0,32 pM. Detta resultat är ungefär tre storleksordningar lägre än α-syn-koncentrationen i serum från patienter med Parkinsons sjukdom. Den föreslagna metoden erbjuder stor potential för klinisk diagnos med hög genomströmning med ultimat känslighet.
Forskarna sammanfattar mekanismen för submonolagerbiolaser och säger:"Vi fann att submonolagerbiolasern med optisk förstärkning något över lasrtröskeln har den högsta känsligheten. Detta fenomen kan förklaras av förstärkningsmolekylernas bidrag till lasrverkan.
"Till exempel, när 10 000 förstärkningsmolekyler deltar i lasring, är det genomsnittliga bidraget för varje molekyl 1/10 000. När vi minskar förstärkningsmolekylerna till 100 kommer det genomsnittliga bidraget från varje molekyl att öka till 1/100. Bindningen av en analyt molekyl på den optiska fibern kommer att öka ytterligare ett bindningsställe för en förstärkningsmolekyl. Därför kan en högre känslighet förväntas med [en] biolaser med färre förstärkningsmolekyler.
"Vi valde kommersiell optisk fiber som [en] mikrokavitet för att demonstrera denna hypotes. Optisk fibers geometri och ytegenskaper kontrollerades väl under fiberdragningsprocessen. Den optiska fibern kan betraktas som distribuerade mikrokaviteter med mycket reproducerbar prestanda.
"Under tiden är priset på optisk fiber mycket lågt, vilket gör engångssensorer möjliga. Till exempel är priset på SMF-28e optisk fiber som används i vårt experiment cirka $ 0,5 per meter. Submonolagerlasern är tillverkad med ett fibersegment på cirka 2 cm lång, vilket motsvarar en försumbar kostnad på cirka 0,01 USD.
"Biolasern under monolager är en allmän avkänningsplattform som kan användas för att detektera typer av biomarkörer. De laserbaserade biosensorerna för engångsbruk med ultrahög känslighet kan möjliggöra kostnadseffektiv och tidig diagnos av allvarliga sjukdomar."
Mer information: Chaoyang Gong et al, Submonolayer-biolasrar för ultrakänslig biomarkördetektion, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01335-8
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av TranSpread
