Blod og sved:​​Bærbare medicinske sensorer vil få et stort følsomhedsforøgelse

Biosensorer integreret i smartphones, smarture og andre gadgets er ved at blive en realitet. I et blad på forsiden af ​​januarudgaven af Sensorer , forskere fra Moscow Institute of Physics and Technology beskriver en måde at øge følsomheden af ​​biologiske detektorer til det punkt, at de kan bruges i mobile og bærbare enheder.

En biosensor er en elektrokemisk enhed, der bestemmer sammensætningen af ​​biologiske væsker i realtid. Blodsukkermålere, der bruges af diabetespatienter, kan meget vel være de eneste biosensingapparater på massemarkedet, der er i brug i dag. Men fremtidsforskere siger, at husholdningsapparater snart vil være i stand til at analysere sved, spyt, vandig humor, og andre kropsvæsker til at identificere en person, lave medicinske tests, diagnosticere sygdom, eller løbende overvåge et individs helbred og lave optimale kostforslag i overensstemmelse hermed.

Indtil for nylig, sådanne ansøgninger blev ikke seriøst overvejet, fordi de tilgængelige enheder ikke var følsomme nok og var uoverkommeligt dyre for forbrugermarkedet. Imidlertid, det kan være, at et gennembrud er ved at ske. Et team af forskere fra MIPT Center for Photonics and 2-D Materials har foreslået et radikalt nyt biosensordesign, som kunne øge detektorfølsomheden mange gange og tilbyde en tilsvarende imponerende reduktion i prisen.

"En konventionel biosensor inkorporerer en ringresonator og en bølgeleder placeret i samme plan, " forklarede MIPT-kandidatstuderende Kirill Voronin fra Laboratory of Nanooptics and Plasmonics, hvem kom på ideen brugt i undersøgelsen. "Vi besluttede at adskille de to elementer og sætte dem i to forskellige planer, med ringen over bølgelederen."

Grunden til, at forskere ikke testede det sensorlayout før, er, at fremstilling af en lejlighed, enkelt-niveau enhed er nemmere i laboratoriemiljøer. Ved at afsætte en tynd film og ætse den, både en ringresonator og en bølgeleder produceres på samme tid. Det alternative to-niveau design er mindre bekvemt til fremstilling af unikke eksperimentelle enheder, men det viste sig billigere for masseproducerende sensorer. Årsagen til dette er, at de teknologiske processer på et elektronikanlæg er gearet mod lag-for-lag aktiv komponentplacering.

Vigtigere, det nye to-lags biosensordesign resulterede i en mange gange højere følsomhed.

En biosensor fungerer ved at registrere de små ændringer i brydningsindekset på dens overflade, som er forårsaget af adsorption af organiske molekyler. Disse variationer detekteres via en resonator, hvis resonansbetingelser afhænger af det eksterne mediums brydningsindeks. Da selv de mindste udsving i brydningsindekset forårsager en signifikant resonansspidsforskydning, en biosensor reagerer på næsten hvert molekyle, der lander på dets overflade.

"Vi har placeret strimlens bølgeleder under resonatoren, i bulk dielektrisk, " sagde papirets medforfatter Aleksey Arsenin, en førende forsker ved MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics. "Resonatoren, på tur, er ved grænsefladen mellem det dielektriske substrat og det eksterne miljø. Ved at optimere brydningsindekserne for de to omgivende medier, vi opnår en markant højere følsomhed."

Det nyligt foreslåede biosensorlayout har både lyskilden og detektoren i dielektrikumet. Den eneste del, der forbliver på ydersiden, er det følsomme element. Det er, guldringen flere dusin mikrometer i diameter og en tusindedel af tykkelsen (fig. 1).

Ifølge Voronin, holdets metode til at gøre biosensorer mere responsive vil tage teknologien til et kvalitativt nyt niveau. "Det nye layout er beregnet til at gøre biosensorer meget nemmere at fremstille, og derfor billigere, " sagde fysikeren. "Optisk litografi er den eneste teknik, der er nødvendig for at producere detektorer baseret på vores princip. Ingen bevægelige dele er involveret, og en afstembar laser, der opererer i et stramt frekvensområde, vil være tilstrækkelig."

Valentin Volkov, som leder MIPT Center for Fotonik og 2-D materialer, vurderer, at det vil tage omkring tre år at udvikle et industrielt design baseret på den foreslåede teknologi.