(Phys.org) – Under det senaste halvseklet, biosensorer har öppnat ett nytt fönster mot den fysiska världen samtidigt som de revolutionerar mycket av det moderna samhället.

Genom att använda ett elektroniskt eller optiskt system, biosensorer detekterar och interagerar med komponenterna i biologiska material, gör det möjligt att analysera DNA, mäta innehållet av glukos i blodet, upptäcka biogifter i vattnet och atmosfären och mycket mer.

Försäljningen av biosensorer nådde 8,5 miljarder USD över hela världen 2012 och förväntas fördubblas till 16,8 USD till 2018. USA, med 2,6 miljarder dollar i försäljning 2012, leder världsmarknaden.

Yongkang Gao har tillbringat mycket av de senaste tre åren med att använda nanoteknik för att förbättra hastigheten, effektivitet och känslighet för biosensorer samtidigt som de dramatiskt minskar deras storlek och driftskostnader.

Hans mål är att transformera dagens relativt skrymmande ytplasmonresonans (SPR) biosensorer, som tar upp det mesta av ett skrivbord, till nanoplasmoniska biosensorer som kan hållas i handen och kan utföra hundratals tester—medicinska, miljö eller annat – åt gången.

Gao, som avslutade sin Ph.D. i elektroteknik i januari och är nu forskare vid Bell labs i New Jersey, är huvudförfattare till en artikel som ett team av Lehigh ingenjörsforskare publicerade nyligen i tidskriften Lab on a Chip . Gruppen bidrog också med omslagsbilden för numret.

Med titeln "Plasmoniska interferometriska sensormatriser för högpresterande etikettfri biomolekylär detektion, "artikeln skrevs tillsammans med Zheming Xin, Beibei Zeng, Qiaoqiang Gan, Xuanhong Cheng och Filbert J. Bartoli. Xin och Zeng är Ph.D. kandidater. Gan, som tog sin Ph.D. från Lehigh 2010, är biträdande professor i elektroteknik vid State University of New York i Buffalo. Bartoli, Chandler Weaver begåvad ordförande för el- och datorteknik, är Gaos Ph.D. rådgivare och leder projektet. Cheng, P.C. Rossin biträdande professor vid avdelningen för materialvetenskap och teknik, är chef för Lehigh's Lab of Micro- and Nanotechnology for Diagnostics and Biology.

Förbättring av "guldstandarden"

Forskare har gjort stora framsteg under de senaste decennierna med märkta biosensorer som använder en receptor fäst vid en fluorescerande molekyl för att rikta biomolekyler. När bindning sker mellan mål- och receptormolekylerna, den fluorescerande märkningen avger en ljussignal vars färg ger information om identiteten på de två molekylerna som binder och styrkan på bindningen.

På senare tid, forskare har utvecklat ett etikettfritt avkänningssätt, som mäter en enkel förändring i den optiska eller elektriska signalen för att avgöra vilka molekyler som har bundit och hur starka deras bindningar är. Utan användning av tidskrävande och kostsamma märkningsprocesser, forskare har visat etikettfri biosensing som är enkel och snabb, och som eliminerar all oönskad interferens mellan etiketter och biomolekyler.

SPR-teknik, som har använts kommersiellt i mer än 20 år, representerar den nuvarande "guldstandarden" för etikettfri biosensing, säger Gao. SPR-biosensorer kan övervaka biomolekylär bindning i realtid samtidigt som de ger information om bindningskinetik, affinitet, specificitet och koncentration, allt utan användning av märkning. Sensorerna används i stor utsträckning vid drogtester, diagnostik, proteomik (studiet av proteiner i levande organismer) och immunologi.

Men prismakopplingsdesignen som används i de flesta SPR-biosensorsystem, säger Bartoli, kräver instrumentering som är besvärlig, komplicerad och dyr, begränsa användningen huvudsakligen till laboratorieforskningstillämpningar.

För att övervinna dessa begränsningar, forskare vänder sig till nanoteknik. Framsteg inom tillverkningsteknik, säger Gao, har gjort det möjligt att bygga, på ett chip, nanostrukturer som har dimensioner som liknar de för synliga ljusvågor, eller cirka 400 till 700 nanometer (1 nm är en miljarddels meter). Men även om dessa enheter i nanoskala är mindre, enklare och billigare än konventionella SPR-biosensorer, än så länge är de en till två storleksordningar mindre känsliga.

Genom att kombinera två nya tillvägagångssätt – nanoplasmoniska arkitekturer och interferometri – har Lehigh-gruppen lyckats behålla enkelheten hos biosensorer i nanoskala samtidigt som sensorupplösningen förbättrats till nivåer nästan lika känsliga som de som uppnås med kommersiella SPR-system.

Plasmoniska arkitekturer är baserade på ytplasmonpolaritoner (SPPs), en typ av elektromagnetisk våg som genereras när en ljusstråle kopplas ihop med en oscillerande våg av elektroner i en metalls yta. Interferometri är en experimentell teknik som använder interferens från ljusvågor för att ge information om förändringar i brytningsindex, ytoregelbundenheter och andra fenomen som involverar växelverkan mellan ljus och materia.

"Resonanssamverkan mellan ljusvågor och oscillerande elektroner, säger Gao, "gör att vågorna i hög grad begränsas till en metallyta. Detta skapar ett starkt optiskt fält inom en nanoskala volym, vilket är särskilt lämpligt för biomolekylär detektion. SPP upptäcktes för ett halvt sekel sedan men det är först nyligen, med mognad av nanotillverkningstekniker, att ingenjörer har kunnat utnyttja de plasmoniska nanostrukturerna för att fritt kontrollera interaktionerna mellan ljusvågor och elektroner."

In an effort to improve the sensitivity of its nanoplasmonic sensing device, the Lehigh group has focused on several goals—achieving a much narrower sensing peak line width, a higher spectral contrast and a larger peak shift for a moderate refractive index change.

After performing 3-D numerical simulations to test and optimize various parameters, the Lehigh group etched a 600-nm-diameter nanohole and three surrounding concentric grooves into a 300-nm-thick gold film deposited onto a glass substrate. This geometry, says Gao, achieved the proposed research goals and obtained greater sensitivity and imaging than the nanohole array sensors developed by other researchers.

"Other researchers investigating nanoplasmonic sensors have been limited by a very broad line width, " he says. "We want a much narrower line width, as well as a high spectral contrast and an intense transmission peak."

When the Lehigh researchers illuminated their device with a collimated white light beam, the light coupled with electrons in the concentric grooves to form SPPs, which propagated toward the nanohole in the center. There, the SPPs interfere with the light beam being transmitted through the hole.

"By careful structural tuning, " the researchers wrote in Lab on a Chip, "we can effectively control the phase and intensity properties of interfering SPPs and light waves to generate spectral fringes with high contrast, narrow line width and large amplitude, all key characteristics to achieve optimized spectral sensing."

"By controlling the size of the hole, " says Gao, "we control the intensity of the free-space light that is directly transmitted through the hole. By controlling the size of the grooves, we control the intensity of the SPPs to delicately balance two components and produce an interference pattern with large spectral contrast and narrow linewidth."

The resolution recorded by the group (0.4 picograms per mm-2) compares favorably with the resolution of commercial SPR systems (0.1 picograms per mm-2) but has the advantage of a sensor footprint that is smaller by two orders of magnitude.

Dessutom, the Lehigh device has the potential to achieve simultaneous measurement from a high-density array of 144 sensors and, when combined with CCD imaging, is predicted to have significantly higher throughput as well.

"This is a very simple optical transmission geometry, " says Bartoli, "and it transforms the SPR from an expensive, bulky system to a low-cost monitoring platform without sacrificing performance.

"We believe our success promises revolutionary advances in low-cost, portable biomedical devices for point-of-care diagnostics and personalized healthcare applications, and also in other high-throughput sensing applications in proteomics, diagnostik, drug discovery and fundamental cell biology research."