En halvlederchip detekterer antigenkoncentrationer ved 1 del pr. quadrillion molmasse

Lektor Kazuhiro Takahashi og adjunkt Yong-Joon Choi fra Institut for Elektrisk og Elektronisk Informationsteknik ved Toyohashi University of Technology har udviklet en chip, der kan registrere antigener med én del pr. kvadrillion molær masse. Chippen blev skabt ved hjælp af halvledermikrobearbejdningsteknologi. Antigener afledt af sygdomme og til stede i blod og spyt blev klæbet på overfladen af ​​et fleksibelt deformerbart nanoark. Mængden af ​​kraft genereret under interaktionen mellem adhærerede antigener blev derefter konverteret til nanosheet-deformationsinformation for at kunne påvise specifikke antigener. Skabt med halvlederteknologi bearbejdet i millimeterskalaen, denne sensorchip forventes at bidrage til telemedicin ved at fungere som en IoT-biosensor, der gør det muligt at udføre antigen- og antistoftest hjemmefra.

Måleapparatet registrerer enkelt og hurtigt sygdomme ved hjælp af en minimal mængde blod, urin, spyt, eller anden kropsvæske, og vil være et vigtigt værktøj til præcis diagnosticering af sygdomme, verificering af behandlingsresultater, og tjek for recidiv og metastaser. Der forskes i en biosensor, der kan måle behandlingsresultater og patologiske reaktioner ved at detektere DNA, RNA og proteiner indeholdt i en sådan væske. Denne teknologi har for nylig tiltrukket sig interesse over hele kloden, med antigen- og antistofdetektion, der er meget brugt til at detektere og bestemme tilstedeværelsen af ​​nye coronavirus-infektioner. Desuden, blandt COVID-19 patienter, rapporter tyder på, at patienter med alvorlige symptomer viser forskelle i flere proteinkoncentrationer i blodet sammenlignet med dem med milde symptomer. Ved at undersøge sådanne markører, denne teknologi forventes at blive brugt til at forudsige sygdommens sværhedsgrad.

Nuværende detektionsenheder er ikke digitaliserede, og kræver visuel bekræftelse af farveændringer ved hjælp af et mærkningsmiddel. At læse det brede udvalg af markører er tidskrævende, og har gjort implementeringen af ​​IoT-enheder vanskelig. Forskerholdet er ved at udvikle en mikrosensorchip, der tjekker for sygdomme ved hjælp af et fleksibelt deformerbart nanoark lavet ved hjælp af halvledermikrobearbejdningsteknologi. Først, et antistof, der fanger de målrettede antigener, fikseres på nanoarket, og deformationer til en tynd film forårsaget af elektriske frastødninger blandt de adhærerede antigener måles. For at forbedre følsomheden til det punkt, hvor membranen, som antigenerne klæber til, bliver tynd og blød, Der anvendes organiske nanoplader, der er to gange blødere end halvledersilicium. Dette forventes at forbedre sensorfølsomheden til en størrelsesorden dobbelt så stor som konventionelle siliciumbaserede sensorer. Ud over, udviklingen fortsætter på signaldetektionsteknologi, der bruger et smartphone-kamera til at detektere deformation af nanoark.

Med denne sensor, som er designet til følsomme ændringer i adhæsion af biomolekyler, antistoffet skal være fikseret til nanoarket på forhånd for at fange antigenet, og problemer relateret til filmnedbrydning kan gøre denne proces vanskelig. Forskerholdet optimerede tætheden for antistoffer til at klæbe til en nanomembran med justerbar tykkelse, skabe en biosensor, der kun detekterer antigener med specifik høj følsomhed. I øvrigt, da det er muligt at detektere deformation af nanopladen forårsaget af adhærerede molekyler i realtid, teknologien forventes at give mulighed for hurtig påvisning af sygdoms-afledte molekyler. Biosensoren udviklet i dette projekt blev brugt i et eksperiment til at påvise albumin, et protein indeholdt i blodet. Forsøget påviste med succes et femtogram (15 attomol i molær koncentration) antigen indeholdt i en milliliter. Med den mindste detektionsgrænse, der næsten svarer til den for storskala detektionsudstyr, der bruger mærkningsmidler, denne enhed forventes at give mulighed for ultrafølsom detektion på en bærbar skala.

Fremadrettet, forskerholdet planlægger at udføre forsøg med halvledersensorer til at opdage markører for alvorlige symptomer på COVID-19-infektion. Ud over bloddetektion, kemiske sensorer udvikles til at detektere lugt og kemiske stoffer. Vi tror på, at vi kan bidrage til et IoT-baseret samfund ved at skabe nye, små sensorenheder en realitet. Udskiftning af sondemolekylet på overfladen af ​​vores nanoark, teknologien kan bruges til at detektere vira og samtidig detektere en række biomarkører. Ved at gøre disse biosensorer almindelige i samfundet, vi ønsker at bidrage til telemedicin, gør det muligt at udføre lægediagnoser hjemmefra.