OIST-forskare skapar en ny sensor som kan mäta både laddning och massa av biomolekyler med potentiella tillämpningar inom sjukvårdsdiagnostik.

Mikrofluidiska plattformar har revolutionerat medicinsk diagnostik de senaste åren. Istället för att skicka blod- eller urinprover till ett laboratorium för analys, läkare kan testa en enda droppe av en patients blod eller urin för olika sjukdomar vid vårdcentralen utan att behöva använda dyra instrument. Innan provet kan testas dock, läkare måste infoga specifika sjukdomsupptäckande biomolekyler i mikrofluidplattformen. Medan du gör det, det måste säkerställas att dessa biomolekyler är väl bundna till insidan av enheten för att skydda dem från att spolas ut av det inkommande provet. Eftersom detta förberedande steg kan vara tidskrävande, det skulle vara fördelaktigt om mikrofluidiska plattformar kunde komma förberedda med specifika biomolekyler förseglade inuti. Dock, denna förseglingsprocess kräver exponering av enhetens komponenter för hög energi eller "joniserad" gas och om biomolekyler kan överleva denna hårda process är okänt.

För att svara på denna fråga, forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har skapat en ny sensor som upptäcker biomolekyler mer exakt än någonsin tidigare. Denna sensor användes för att visa att biomolekyler framgångsrikt kan förseglas i mikrofluidiska enheter. Resultaten har djupgående implikationer för sjukvårdsdiagnostik och öppnar möjligheter för att producera färdigförpackade mikrofluidiska plattformar för blod- eller urintestning.

Traditionellt, metalloxidhalvledarsensorer (MOS) används för att detektera bindningen av biomolekyler till en yta genom att mäta förändringar i laddningen. Består av ett kiselhalvledarskikt, ett glasisoleringsskikt och ett guldmetallskikt, dessa sensorer är inbyggda i en elektrisk krets där biomolekylen sitter i en elektrolytfylld plastbrunn ovanpå sensorn. Om du sedan lägger på en spänning och mäter ström, du kan räkna ut laddningen från kapacitansavläsningen som avges. Biomolekyler med olika laddningar ger dig olika kapacitansavläsningar, gör det möjligt för dig att kvantifiera förekomsten av biomolekyler.

Den nya sensorn skapad av forskare i OIST:s Micro/Bio/Nanofluidics Unit, mäter laddning med samma teknik som konventionella sensorer men har den extra funktionen att mäta massa. Istället för att ha ett metallskikt av solid guld, den så kallade nano-metal-sulator semiconductor (nMIS)-sensorn har ett lager av små guldmetallöar. Om du belyser dessa nanostrukturer, ytelektronerna börjar oscillera med en viss frekvens. När biomolekyler läggs till dessa nanoöar, frekvensen av dessa svängningar ändras proportionellt mot biomolekylens massa. Baserat på denna förändring, du kan använda den här tekniken för att mäta massan av biomolekylen, och bekräfta om den överlever exponering för joniserad gas under inkapsling i mikrofluidplattformen.

"Vi gjorde en enkel sensor som kan svara på mycket komplexa ytkemifrågor, säger Dr Nikhil Bhalla som arbetade med skapandet av nMIS-sensorn.

Att mäta två grundläggande egenskaper hos ytkemiska reaktioner på samma enhet innebär att forskare kan vara mycket mer säkra på att biomolekyler framgångsrikt har inkapslats i den mikrofluidiska plattformen. Enbart en mätning av laddning eller massa kan vara missvisande, får det att se ut som att biomolekyler har bundit sig till en yta när de faktiskt inte har det. Att ha mer än en teknik i samma enhet innebär att du kan byta från ett läge till ett annat för att se om du har samma resultat.

"Forskare måste validera en reaktion med flera tekniker för att bekräfta att en observation är autentisk. Om du har en sensor som möjliggör detektering av två parametrar på en enda plattform, då är det verkligen fördelaktigt för avkänningsgemenskapen, " säger Dr Bhalla.

"By combining these two simple measurement techniques into one compact platform, it opens doors to create portable and reliable sensing technologies in the future", adds PhD student Shivani Sathish.

I ett proof-of-concept-experiment, by combining information about both the mass and charge of the biomolecule, the scientists were able to show that a common biomolecule survives exposure to ionized gas at a specific energy level. A single reading of charge alone gives a misleading result, but looking at the complementary parameters together allows for more accurate biomolecule detection.

This novel nMIS sensor could be used to create microfluidic platforms that test for various diseases. By measuring charge and mass using the nMIS sensor, researchers can ensure that disease-detecting biomolecules are successfully sealed and functional inside the testing device.

"It would be like a pre-packaged pregnancy test, " says Professor Amy Shen, head of OIST's Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "If there is already something adsorbed then all you have to do is introduce whatever sample you are using, such as urine or blood."

It might also be possible to combine several biomarkers in the same device to test for different diseases at the same time. By integrating this dual sensing technology with the ready-to-use devices, it offers great promise in the field of healthcare diagnostics owing to its advantages of portability and point-of-care testing.