Ny plasmonisk sensor forbedrer tidlig kræftdetektion

En ny plasmonisk sensor udviklet af forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign vil tjene som en pålidelig tidlig påvisning af biomarkører for mange former for kræft og i sidste ende andre sygdomme.

Sensoren har vist sig at være pålidelig til at detektere tilstedeværelsen af ​​cancerbiomarkøren carcinoembryonalt antigen (CEA) i størrelsesordenen 1 nanogram pr. milliliter. De fleste mennesker bærer i det mindste nogle mængder CEA med et gennemsnit på 3-5 nanogram pr. milliliter. Forskerne valgte at fokusere på CEA, fordi dets tilstedeværelse i højere koncentrationer er en tidlig indikator for mange former for kræft, herunder lunge- og prostatacancer.

"Kræft er en af ​​de vigtigste dødsårsager i USA, da mere end halvdelen af ​​de nye patienter bliver diagnosticeret, efter at den allerede har spredt sig, Ameen forklarede. "Dette viser alvoren, hvormed dette problem skal løses, og dette nye design af en plasmonisk sensor hjælper med at detektere den lavere koncentration af CEA i en tidligere tilstand."

Den plasmoniske sensor er en forbedring af den nuværende state-of-the-art metode af et par årsager. Først, det var i stand til at forbedre detektionsgrænsen med mindst to størrelsesordener. Faktisk, de fleste metoder er ikke i stand til nøjagtigt at detektere tilstedeværelsen af ​​CEA, før den når en højere koncentration.

For det andet fordi det fungerer med meget mindre instrumentering, det er billigere og mere bærbart og kræver ikke nær den ekspertise at foretage en læsning. Det betyder også i stedet for at have brug for et hætteglas med blod til en test, et simpelt fingerstik er nok. Dette aspekt vil være særligt vigtigt for dem, der ikke bor tæt på en avanceret medicinsk facilitet, herunder dem i udviklingslande.

Forskerholdet blev ledet af Logan Liu, og Lynford Goddard, lektorer i elektro- og computerteknik med de studerende Abid Ameen og Lisa Hackett, der udfører projektet. Holdet offentliggjorde sine resultater i Avancerede optiske materialer som forsideartikel.

Enheden kombinerer to registreringsmetoder, som først på dette tidspunkt havde kunnet bruges sammen. Først, den bruger en 3D flerlags nanokavitet i en nanokop-array, som gør det muligt at lagre lyset i hulrummet bestående af to metallag (i dette tilfælde guld), der omgiver det ene isolatorlag.

For det andet den bruger plasmonisk sensing, som registrerer følsomme nanoskala lys-stof-interaktioner med biomolekyler på enhedens overflade. Det producerer en forbedret feltindeslutning og et forbedret lokaliseret felt. På grund af den plasmoniske struktur, lyset udkobles mere effektivt, når det omgivende brydningsindeks ændres.

"Ved at kombinere plasmoniske egenskaber og de optiske kavitetsegenskaber sammen i én enhed er vi i stand til at detektere lavere koncentration af biomarkør ved lysindeslutning og transmission i henholdsvis kavitetslaget og fra toppen af ​​enheden, baseret på tykkelsen af ​​multilagene og brydningsindekset for hulrummets lag, " Ameen forklarede.

"Nanocup-arrayet giver ekstraordinær optisk transmission, Hackett tilføjede. "Hvis du tager en tynd metalfilm og prøver at skinne lys igennem den, der vil næsten ikke blive transmitteret lys. Men hvis du sætter en periodisk række af nanohuller, eller i vores tilfælde en nanokop-struktur, så er det du ser en resonanstilstand, hvor ved en bestemt bølgelængde, du vil have et toppunkt i transmissionen gennem denne enhed."

Fordi resonansen ændrer sig ved en enkelt bølgelængde, og fordi de spektrale træk har referenceplaceringer, excitation og detektion kan udføres pålideligt uden noget specialudstyr. Med denne enhed, en LED-lyskilde kan bruges i stedet for en laser og en fotocelle eller et kamerabillede kan bruges i stedet for et high-end spektrometer.

"På grund af vores flerlags højtydende plasmoniske struktur, vi var i stand til meget effektivt at sprede lyset til det fjerne felt, " Sagde Hackett. "Når du øger brydningsindekset for det følende område, det får den lagrede energi til at koble sig ud. Normalt når du har disse typer refraktometriske plasmoniske sensorer, du har et skift i vinklen eller en ændring i din bølgelængde, når resonansbetingelsen er opfyldt. I vores tilfælde, fordi vi har indarbejdet et nano-rum, vi har en fast resonansbølgelængde."

Når koncentrationen af ​​biomolekyler (i dette tilfælde CEA) stiger, det samme gør brydningsindekset, som frembringer en forøgelse af transmissionsintensiteten ved en fast bølgelængde, der let kan detekteres.

"Hvad det betyder i fremtiden er, at vi kan tage denne sensor, som vi har optimeret og integreret med en LED og har den mest kompakte instrumentering, faktisk slet ingen sofistikeret instrumentering, " sagde Ameen. "Dette tillader højtydende plasmonisk sensing evnen til at gå mod bærbare sensorsystemer og bærbare sensorer i stor skala."

For nu, påvisningsmetoder for cancerbiomarkører er ved at blive implementeret i højrisikopatienter, især kræftpatienter i remission. De tager tid, specialudstyr, og er arbejdskrævende.

I fremtiden, imidlertid, på grund af denne metodes bærbarhed og billige karakter, det kan nemmere administreres til enhver patient ved rutinekontrol. Dette ville gøre det muligt for dem med en forhøjet koncentration af CEA at blive behandlet, selv før kræftceller spredes i kroppen.

"Lige nu opdages kræft tættere på slutstadiet, " bemærkede Ameen. "Vi ønsker at opdage det så tidligt som muligt. Vores enhed giver os den mulighed."

Mens denne undersøgelse viste påvisning i en lille human serumprøve, metoden kunne bruges til påvisning af andre sygdomme hen ad vejen.

"I fremtiden, hvis de er lavet meget omkostningseffektive og bærbare, "Hackett sagde, "det ville være fantastisk at se folk være i stand til at tage mere kontrol over deres helbred og overvåge noget som dette på egen hånd."