Submonolag biolasere:Lavere forstærkning, højere følsomhed

Design af følsomme og engangsbiosensorer til tidlig diagnose er fortsat en stor udfordring. Forskere i Kina har opfundet submonolaglasere på optiske fibre som ultrafølsomme og engangsbiosensorer.

Der blev opnået en forbedring på seks størrelsesorden i den nedre detektionsgrænse (LOD) sammenlignet med mættede monolagslasere. De demonstrerede et ultrafølsomt immunassay for en biomarkør for Parkinsons sygdom, alfa-synuclein (α-syn), med en lavere LOD på 0,32 pM i serum.

Tidlig opdagelse af sygdomme som kræft og demens, før de viser alvorlige, irreversible symptomer, er af stor betydning for folkesundheden og kan bidrage til at reducere sygelighed og dødelighed. I den tidlige fase af en sygdom er det svært at præcist estimere de ekstremt lave koncentrationer af biomarkører.

Optiske mikrokaviteter har udviklet sig som en kraftfuld platform til forstærkning af optiske signaler med stærk kavitetsfeedback i løbet af de sidste to årtier, og de er blevet meget brugt til biologisk analyse. Den stærke afhængighed af delikate fremstillingsprocedurer og det væsentlige koblingskrav er dog yderst uønsket for engangsbiosensorer.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , et team af videnskabsmænd, ledet af professor Yuan Gong fra Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications (Ministry of Education of China), School of Information and Communication Engineering, University of Electronic Science and Technology i Kina, Chengdu, Kina, og co. -arbejdere har udviklet submonolag biolasere på optisk fiber som ultrafølsomme og engangsbiosensorer.

De realiserede masseproduktion af submonolagsbiolaserne til ubetydelige omkostninger ved at bruge optiske fibermikrohulrum, der var fordelt over en ekstraordinær længde på 10 km og havde ultrahøje Q-faktorer på 10 ⁶ . I slående kontrast til passive mikrokaviteter kan pumpning og detektering af submonolag-biolasere bekvemt udføres af frirumsoptik, som eliminerer afhængigheden af ​​kritisk bølgelederkobling, og endnu vigtigere, muliggør udviklingen af ​​engangsbiosensorer med ultrahøj følsomhed.

Mere overraskende viste de ved at skubbe forstærkningsmolekylerne ned til tærskeldensiteten, at submonolagsbiolaseren viser en forbedring af seks størrelsesordener i den nedre detektionsgrænse (LOD) sammenlignet med monolagsbiolaseren.

Holdet demonstrerede også, at deres submonolag biolaser potentielt kan bruges i klinisk diagnose. De anvendte submonolagsbiolaseren til at påvise en Parkinsons sygdom (PD) biomarkør i serum og opnåede en lavere LOD på 0,32 pM. Dette resultat er ca. tre størrelsesordener lavere end α-syn-koncentrationen i serum fra patienter med Parkinsons sygdom. Den foreslåede metode tilbyder et stort potentiale i høj-throughput klinisk diagnose med ultimativ følsomhed.

Forskerne opsummerer mekanismen for submonolagsbiolaser og siger:"Vi fandt ud af, at submonolagsbiolaseren med optisk forstærkning lidt over lasertærsklen har den højeste følsomhed. Dette fænomen kan forklares ved bidraget fra forstærkningsmolekylerne i laservirkningen.

"For eksempel, når 10.000 forstærkningsmolekyler deltager i lasering, er det gennemsnitlige bidrag fra hvert molekyle 1/10.000. Når vi reducerer forstærkningsmolekylerne til 100, vil det gennemsnitlige bidrag fra hvert molekyle stige til 1/100. Bindingen af ​​en analyt molekyle på den optiske fiber vil øge et bindingssted mere for et gain-molekyle. Derfor kan en højere følsomhed forventes med [en] biolaser med færre gain-molekyler.

"Vi valgte kommerciel optisk fiber som [et] mikrohulrum for at demonstrere denne hypotese. Optisk fibers geometri og overfladeegenskaber var godt kontrolleret under fibertrækkeprocessen. Den optiske fiber kan betragtes som distribuerede mikrohulrum med meget reproducerbar ydeevne.

"I mellemtiden er prisen på optisk fiber meget lav, hvilket gør engangssensorer mulige. For eksempel er prisen på SMF-28e optisk fiber brugt i vores eksperiment omkring $0,5 pr. meter. Submonolaglaseren er fremstillet med et fibersegment på omkring 2 cm lang, svarende til en ubetydelig pris på omkring $0,01.

"Submonlagsbiolaseren er en generel registreringsplatform, som kan bruges til at detektere typer af biomarkører. Engangslaserbaserede biosensorer med ultrahøj følsomhed kan muliggøre omkostningseffektiv og tidlig diagnosticering af større sygdomme."

Flere oplysninger: Chaoyang Gong et al., Submonolayer-biolasere til ultrasensitiv biomarkørdetektion, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01335-8

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af TranSpread