En lille cirkulær racerbane for lys kan hurtigt opdage enkelte molekyler

My Little Sensor Lab ved University of Arizona udvikler ultrafølsomme optiske sensorer til medicinsk diagnostik, medicinske prognoser, miljøovervågning og videnskabelig grundforskning. Vores sensorteknologi identificerer stoffer ved at skinne lys på prøver og måle brydningsindekset, eller hvor meget lys der bremses, når det passerer gennem et materiale, som er forskellig fra et stof til et andet - siger, vand og et DNA-molekyle.

Vores teknologi lader os detektere ekstremt lave koncentrationer af molekyler ned til én ud af en million billioner molekyler, og kan give resultater på under 30 sekunder.

Normalt, brydningsindeks er for subtilt til at detektere i et enkelt molekyle, men ved at bruge en teknologi, vi udviklede, vi kan passere lys gennem en prøve tusindvis af gange, hvilket forstærker ændringen. Dette gør vores sensor til blandt de mest følsomme, der findes.

Enheden inkluderer en lille ring, der lyser rundt - 240, 000 gange på 40 nanosekunder, eller milliardtedele af et sekund. En væskeprøve omgiver sensoren. Noget af lyset strækker sig uden for ringen, hvor den interagerer med prøven tusindvis af gange.

I modsætning til andre meget følsomme detektionsmetoder, vores er etiketfri, hvilket betyder, at vi ikke behøver at tilføje radioaktive mærker eller fluorescerende mærker for at identificere, hvad vi forsøger at detektere. Det betyder, at vi ikke behøver at behandle vores prøver så meget.

Fordi vores sensor er så følsom, vi kræver kun små mængder af et stof, hvilket er nyttigt både til at reducere omkostningerne og i tilfælde, hvor reagenser er svære at skaffe.

Nogle sygdomme, som kræft, kan udvikle sig lydløst, undgå opdagelse, indtil det er for sent. En ultrafølsom sensor kan opdage en sygdom, før symptomerne viser sig, at lade sundhedsudbydere behandle sygdommen tidligt, når det stadig kan helbredes. Sensoren kan også bruges i en COVID-19 udåndingstest.

At have en hurtig og følsom sensor kan også muliggøre overvågning af sygdomsprogression og kan kvantificere effekten af ​​forskellige behandlinger. Vores laboratorium, for eksempel, arbejder i øjeblikket på at opdage lave koncentrationer af biomolekyler, der indikerer Alzheimers sygdom eller kræft i blodet, urin- og spytprøver.

Mange andre tilgange kræver, at du enten fluorescerende "mærker" den ting, du forsøger at detektere eller amplificerer DNA ved hjælp af en polymerasekædereaktion (PCR). For eksempel, nuværende COVID-19-test kræver, at du vælger mellem en hurtig antigentest, hvilket ikke er så præcist, eller en PCR-test, hvilket er præcist, men dyrt og tidskrævende.

Aktive forskningsområder på dette område omfatter også måder at forbedre prøveleveringen til sensoren, som kan forbedre responstiden og reducere mængden af ​​målstof, der er nødvendig for påvisning. Forskere arbejder også på metoder til at forbedre sensorselektiviteten, hvilket betyder, at sensoren bedre kan skelne målstoffet fra andre stoffer. Dette reducerer falske positiver.

Denne måned, vores laboratorium modtog et tilskud på $1,8 millioner fra National Institutes of Health for at forbedre sensoren. Det næste skridt efter at have demonstreret, at vores enheder fungerer i forskningsmiljøer, ville være at gå over til kliniske forsøg.

Ud over, vi forbedrer løbende vores sensor for at gøre den mere følsom og mere selektiv. Vi arbejder også på at bruge sensoren til at lave en bærbar, point-of-care medicinsk diagnostisk udstyr, der kan bruges til hjemmepleje eller gives til en EMT i en ambulance eller en soldat på en slagmark.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.