Chipbaseret optisk sensor registrerer kræftbiomarkør i urinen

For første gang, forskere har brugt en chipbaseret sensor med en integreret laser til at detektere meget lave niveauer af et kræftproteinbiomarkør i en urinprøve. Den nye teknologi er mere følsom end andre designs og kan føre til ikke-invasive og billige måder at opdage molekyler, der angiver tilstedeværelse eller progression af en sygdom.

"Nuværende metoder til måling af biomarkørniveauer er dyre og sofistikerede, kræver biopsier og analyse i specialiserede laboratorier, "sagde forskningsteamleder Sonia M. Garcia-Blanco fra University of Twente i Holland." Den nye teknologi, vi udviklede, baner vejen for hurtigere og ultrafølsom påvisning af paneler af biomarkører, der gør det muligt for læger at træffe rettidige beslutninger, der forbedrer personlig diagnose og behandling af medicinske tilstande, herunder kræft. "

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik bogstaver , en multiinstitutionel gruppe af forskere finansieret af det europæiske H2020-projekt GLAM (glasmultiplekset biosensor), viser, at den nye sensor kan udføre etiketfri detektion af S100A4, et protein forbundet med menneskelig tumorudvikling, på niveauer, der er klinisk relevante.

"Biosensoren kunne muliggøre point-of-care-enheder, der samtidigt screener for forskellige sygdomme, "sagde Garcia-Blanco." Dens betjening er enkel og kræver ikke komplicerede prøvebehandlinger eller sensorbetjening, hvilket gør det til en fremragende kandidat til kliniske applikationer. "

Forskerne siger, at sensoren har potentiale til ikke-biomedicinske applikationer, såvel. For eksempel, den kan også bruges til at detektere forskellige typer gasser eller flydende blandinger.

Oprettelse af en sensor med høj følsomhed

Den nye chipbaserede sensor registrerer tilstedeværelsen af ​​specifikke molekyler ved at belyse prøven med lys fra en on-chip mikrodisklaser. Når lyset interagerer med biomarkøren af ​​interesse, farven, eller frekvens, af dette laserlys skifter på en påviselig måde.

For at udføre detektion i urinprøver, forskerne måtte finde ud af at integrere en laser, der kunne fungere i et flydende miljø. De vendte sig til det fotoniske materiale aluminiumoxid, fordi den, når den er dopet med ytterbiumioner, kan bruges til at fremstille en laser, der udsender i et bølgelængdeområde uden for lysabsorberingsbåndet af vand, mens den stadig muliggør en præcis påvisning af biomarkørerne.

"Selvom sensorer baseret på overvågning af frekvensforskydninger af lasere allerede findes, de kommer ofte i geometrier, der ikke let kan integreres på små, engangs fotoniske chips, "sagde Garcia-Blanco." Aluminiumoxid kan let fremstilles monolitisk på chip og er kompatibelt med standard elektroniske fremstillingsprocedurer. Det betyder, at sensorerne kan produceres på en stor, industriel skala. "

Ved hjælp af en mikrodisklaser i stedet for de ikke-lasende ringresonatorer, der bruges i andre lignende sensorer, åbnes døren til følsomhed uden fortilfælde. Følsomheden skyldes, at laserlinjebredden er meget smallere end resonanserne af passive ringresonatorer. Når andre støjkilder, såsom termisk støj, elimineres, denne metode vil tillade påvisning af meget små frekvensskift fra biomarkører ved meget lave koncentrationer.

Registrering af små biomarkørkoncentrationer

Efter at have udviklet og anvendt en overfladebehandling, der fanger biomarkører af interesse i komplekse væsker som urin, forskerne testede den nye sensor med syntetisk urin indeholdende kendte biomarkørniveauer. De var i stand til at detektere S100A4 ved koncentrationer helt ned til 300 picomolar.

"Påvisning i dette koncentrationsområde viser platformens potentiale for etiketfri biosensering, "sagde Garcia-Blanco." Endvidere detektionsmodulet kan potentielt gøres meget enkelt ved hjælp af den udviklede teknologi, bringe det et skridt tættere på den endelige ansøgning uden for laboratoriet. "

Forskerne arbejder på at inkorporere alle de relevante optiske kilder og signalgenereringskomponenter på chippen for at gøre enheden endnu lettere at betjene. De ønsker også at udvikle forskellige belægninger, der kan muliggøre parallel påvisning af en lang række biomarkører.