Krymper et medicinsk laboratorium for at passe på en fingerspids

At identificere en patients virusinfektion eller diagnosticere en blodsygdom kræver normalt et laboratorium og dygtige teknikere. Men forskere ved Princeton University har udviklet en ny teknologi, der går langt i retning af at erstatte laboratoriet med en enkelt mikrochip.

Som et vigtigt skridt i retning af at udføre medicinske diagnoser ved hjælp af håndholdte enheder, forskerne har tilpasset siliciumchipteknologi svarende til den, der findes i personlige computere og mobiltelefoner til at fungere som en biosensor. Teknologien bruger bittesmå metallag indlejret i en mikrochip for at eliminere al kompleks og omfangsrig optisk instrumentering, der anvendes i de diagnostiske laboratorier. Som resultat, det nye system er næsten lige så lille som et gran salt, og langt billigere at fremstille end nuværende diagnosesystemer.

"Nøgleideen er at tillade komplekse optiske systemer i moderne chips, " sagde Kaushik Sengupta, en adjunkt i elektroteknik og en af ​​projektets ledere. "Alle smartphones bærer et millionpixel kamera. Hvordan gør vi dette til en enhed, der tillader diagnostik i laboratoriekvalitet?"

En kommerciel fluorescens-baseret biosensor bærer typisk en række klassiske optiske komponenter, herunder flere filtersæt, linser og gitre. Jo mere følsomt systemet er, jo dyrere og mere omfangsrigt er opsætningen.

"Vi viser, at disse komplekse optiske biosensorsystemer også kan realiseres i den samme teknologi uden absolut ingen ændring i fremstillingen af ​​mikrochippen, " sagde Sengupta.

Forskerne fandt ud af, at små metallag, der allerede er indbygget i moderne mikrochips, relativt nemt kan tilpasses til at drage fordel af lysets usædvanlige adfærd, når de interagerer med strukturer, der er mindre end en enkelt bølgelængde af lys. Udnyttelse af lyset på denne måde giver mulighed for påvisning af tusindvis af biologiske stoffer fra bakterielt DNA til hormoner. Og fordi moderne mikrochips allerede er designet til at være ekstremt små, disse strukturer kan fremstilles ved hjælp af standard fremstillingsteknikker, sagde Sengupta.

Selvom der kræves mere arbejde, forskerne håber, at teknologien vil føre til diagnostiske systemer indeholdt i en pille eller installeret på en smartphone.

"Vi viser for første gang, at dette niveau af optisk feltmanipulation er muligt i en siliciumchip. Ved at eliminere al klassisk optik, systemet er nu lille nok til at du kunne begynde at tænke på at putte det i en pille, " sagde Sengupta. "Du kunne begynde at tænke på diagnostik inde i kroppen på en måde, du ikke kunne tænke på før."

I to papirer, den første offentliggjorte 12. sept. 2018, i journalen ACS Fotonik og den anden den 1. nov. 2018, i Biomedicinsk Optik Express , forskerne rapporterede, at de har udviklet en sensor, der kan detektere molekyler såsom DNA og proteiner i prøver så små som en mikroliter med følsomheder, der kan sammenlignes med kommerciel instrumentering i diagnostisk laboratorium. (Der er omkring 50 mikroliter i en dråbe vand.)

Den nye sensorchip, som en klassisk laboratorieopsætning, detekterer målrettede molekyler ved at bruge kemiske antistoffer, der er designet til at reagere i nærvær af et specifikt molekyle. Antistofferne modificeres til at generere lys ved en specifik bølgelængde (fluorescerende), når de udsættes for målet.

I et standardlaboratorium, antistofferne placeres i små brønde på en testplade på størrelse med et spillekort. For at gøre samlingen lille nok til at passe på spån, der måler 4 mm pr. side, Sengupta og hans gruppe arbejdede med gruppen ledet af Haw Yang, en kemiprofessor, at udvikle nye teknikker til at forberede og distribuere antistofferne. Arbejder som team mellem to laboratorier i Princeton, forskerne var i stand til at designe en plade med 96 antistofsensorer, der er lille nok til at passe på chippen.

Som i et standardlaboratorium, den lille plade udsættes for en testprøve, typisk en væske. Antistoffer, der kommer i kontakt med deres specifikke målmolekyle, vil lyse svagt rødt, når de udsættes for ultraviolet lys. Desværre, det røde skær er utroligt svagt sammenlignet med det ultraviolette lys, der bruges til at udløse det. Det udgjorde en af ​​de væsentligste forhindringer for forskerne.

"Lysforholdet er dræberen, " sagde Sengupta. "Vi skinner mellem 10 millioner og 100 millioner fotoner ved målet for hver foton, vi får tilbage."

Meget af den plads, der optages i en standard bordpladedetektor, består af optik og linser, der bruges til at filtrere denne lille røde glød for at skelne den fra skyllet af udløsende lys. Den nye teknologi gør det muligt for forskerne at gøre op med dette system ved at bruge små metallag indlejret i mikrochippen til at behandle lyset.

"Når du kombinerer denne massivt skalerbare optik med en milliard transistorer i en samme chip, et helt nyt sæt af muligheder åbner sig. For at gøre tingene så små, vi var nødt til at gøre dem på en fundamentalt anden måde, " sagde Sengupta.

Fordi de små strukturer er bygget i siliciumchippen, forskerne sagde, at systemet kan masseproduceres og ikke kræver detaljeret samling i et laboratorium. Sengupta sagde, at evnen til hurtigt og billigt at fremstille enheden vil være afgørende for den endelige produktion af nyt sensorudstyr.

"Når vi gør diagnostikken billigere, " siger Sengupta, "vi kan muliggøre diagnostik i udviklingslandene. Og det er ikke kun diagnostik. Det, vi er kommet frem til her, er kun en lavpris, lille fluorescerende sensor, og du kan bruge fluorescerende sensing til mange forskellige ting:til overvågning af fødevare- og vandkvalitet, miljøovervågning, og industrielle applikationer."