Udnyttelse af fotonik til påvisning af sygdom i hjemmet

I en ikke alt for fjern fremtid, folk kan have en simpel enhed, der overvåger og rapporterer helbredsindikatorer, identificerer selv spormængder af uønskede biomarkører i blodet eller spyt og fungerer som et tidligt varslingssystem for sygdomme. Dette er et af løfterne om personlig medicin.

En sådan teknologisk revolution kan være et skridt nærmere takket være et kraftfuldt værktøj udviklet af forskere ved EPFLs BioNanoPhotonic Systems (BIOS) Laboratory. Den består af en ultratynd, miniaturiseret optisk chip koblet med et standard CMOS-kamera og drevet af billedanalyse, som tæller biomolekyler individuelt i en prøve og bestemmer deres placering. Deres forskning er blevet offentliggjort i Naturfotonik .

En meget kraftig sensor

Denne teknologi er baseret på metasurfaces, en nylig udvikling inden for fotonik. Metasurfaces er ark af kunstige materialer dækket af millioner af elementer i nanostørrelse arrangeret på en særlig måde. Ved en bestemt frekvens, disse elementer er i stand til at presse lys ind i ekstremt små mængder, skabe ultrafølsomme optiske hotspots.

Når lys skinner på metasoverfladen og rammer et molekyle ved et af disse hotspots, molekylet opdages med det samme. Faktisk, molekylet giver sig selv ved at ændre bølgelængden af ​​det lys, der rammer det.

Scanner molekyler og tager deres billede

Ved at skinne farvede lys i forskellige farver på metasfladen og tage et billede hver gang med et CMOS-kamera, forskerne er i stand til at tælle antallet af molekyler i en prøve og lære præcis, hvad der sker på sensorchippen. "Vi bruger derefter smarte datavidenskabelige værktøjer til at analysere de millioner af CMOS-pixels opnået gennem denne proces og identificere tendenser, " siger Filiz Yesilkoy, artiklens første forfatter. "Vi har demonstreret, at vi ikke kun kan detektere og afbilde individuelle biomolekyler ved hotspots, men selv et enkelt grafenark, der kun er et atom tykt."

At tage deres arbejde et skridt videre, forskerne udviklede en anden version af deres system, med metaoverflader programmeret til at give resonans ved forskellige bølgelængder i forskellige regioner. "Denne teknik er enklere, men det er også mindre præcist med hensyn til at lokalisere molekylerne, " siger Eduardo R. Arvelo, en af ​​artiklens medforfattere.

Hatice Altug, der driver BIOS-laboratoriet og leder projektet på Ingeniørskolen, ser et enormt potentiale inden for optik. "Lys besidder mange egenskaber - såsom intensitet, fase og polarisering – og er i stand til at krydse rummet. Det betyder, at optiske sensorer kan spille en stor rolle i at løse fremtidige udfordringer – især inden for personlig medicin."