Brug af nanoteknologi til at forbedre hastigheden, effektivitet og følsomhed af biosensorer

(Phys.org) — I løbet af det sidste halve århundrede, biosensorer har åbnet et nyt vindue på den fysiske verden, mens de revolutionerer meget af det moderne samfund.

Ved at bruge et elektronisk eller optisk system, biosensorer detekterer og interagerer med komponenterne i biologiske materialer, gør det muligt at analysere DNA, måle indholdet af glukose i blodet, opdage biotoksiner i vandet og atmosfæren og meget mere.

Salget af biosensorer nåede 8,5 milliarder USD på verdensplan i 2012 og forventes at fordobles til 16,8 USD i 2018. USA, med $2,6 milliarder i salg i 2012, fører verdensmarkedet.

Yongkang Gao har brugt meget af de sidste tre år på at bruge nanoteknologi til at forbedre hastigheden, effektivitet og følsomhed af biosensorer, samtidig med at deres størrelse og driftsomkostninger reduceres dramatisk.

Hans mål er at transformere nutidens relativt omfangsrige overfladeplasmonresonans (SPR) biosensorer, som fylder det meste af et skrivebord, ind i nanoplasmoniske biosensorer, der kan holdes i hånden og kan udføre hundredvis af tests - medicinske, miljømæssigt eller andet – ad gangen.

Gao, der afsluttede sin ph.d. i elektroteknik i januar og er nu forsker ved Bell labs i New Jersey, er hovedforfatter på en artikel, som et hold af Lehigh-ingeniørforskere publicerede for nylig i tidsskriftet Lab on a Chip . Gruppen bidrog også med forsidebilledet til udgaven.

Med titlen "Plasmoniske interferometriske sensorarrays til højtydende etiketfri biomolekylær detektion, "Artiklen er skrevet sammen med Zheming Xin, Beibei Zeng, Qiaoqiang Gan, Xuanhong Cheng og Filbert J. Bartoli. Xin og Zeng er Ph.D. kandidater. Gan, der fik sin ph.d. fra Lehigh i 2010, er assisterende professor i elektroteknik ved State University of New York i Buffalo. Bartoli, Chandler Weaver endowed Chair of Electrical and Computer Engineering, er Gaos ph.d. rådgiver og leder projektet. Cheng, P.C. Rossin adjunkt i afdelingen for materialevidenskab og teknik, er direktør for Lehigh's Lab of Micro- and Nanotechnology for Diagnostics and Biology.

Forbedring af "guldstandarden"

Forskere har gjort store fremskridt i de seneste årtier med mærkede biosensorer, der bruger en receptor knyttet til et fluorescerende molekyle til at målrette biomolekyler. Når der opstår binding mellem mål- og receptormolekylerne, det fluorescerende mærke udsender et lyssignal, hvis farve giver information om identiteten af ​​de to molekyler, der binder, og styrken af ​​bindingen.

For nylig, videnskabsmænd har udviklet en etiket-fri sensing tilgang, som måler en simpel ændring i det optiske eller elektriske signal for at bestemme, hvilke molekyler der har bundet sig, og hvor stærke deres bindinger er. Uden brug af tidskrævende og dyre mærkningsprocesser, forskere har demonstreret etiketfri biosensing, der er enkel og hurtig, og det eliminerer enhver uønsket interferens mellem mærker og biomolekyler.

SPR teknologi, som har været brugt kommercielt i mere end 20 år, repræsenterer den nuværende "guldstandard" for etiketfri biosensing, siger Gao. SPR-biosensorer kan overvåge biomolekylær binding i realtid, mens de giver information om bindingskinetik, tilhørsforhold, specificitet og koncentration, alt sammen uden brug af mærkning. Sensorerne er meget udbredt i narkotikatestning, diagnostik, proteomics (studiet af proteiner i levende organismer) og immunologi.

Men prismekoblingsdesignet, der bruges i de fleste SPR-biosensorsystemer, siger Bartoli, kræver instrumentering, der er besværlig, komplekst og dyrt, begrænser deres anvendelse hovedsageligt til laboratorieforskningsapplikationer.

For at overvinde disse begrænsninger, forskere henvender sig til nanoteknologi. Fremskridt inden for fremstillingsteknikker, siger Gao, har gjort det muligt at bygge, på en chip, nanostrukturer, der har dimensioner svarende til dem af synlige lysbølger, eller omkring 400 til 700 nanometer (1 nm er en milliardtedel af en meter). Men mens disse nanoskalaenheder er mindre, enklere og billigere end konventionelle SPR-biosensorer, indtil videre er de en til to størrelsesordener mindre følsomme.

Ved at kombinere to nye tilgange - nanoplasmoniske arkitekturer og interferometri - er det lykkedes Lehigh-gruppen at bevare enkelheden af ​​biosensorer i nanoskala og samtidig forbedre sensoropløsningen til niveauer næsten lige så følsomme som dem, der opnås med kommercielle SPR-systemer.

Plasmoniske arkitekturer er baseret på overfladeplasmonpolaritoner (SPP'er), en type elektromagnetisk bølge, der genereres, når en lysstråle kobles sammen med en oscillerende bølge af elektroner i overfladen af ​​et metal. Interferometri er en eksperimentel teknik, der bruger interferens fra lysbølger til at give information om brydningsindeksændringer, overfladeuregelmæssigheder og andre fænomener, der involverer vekselvirkningen mellem lys og stof.

"Lysbølgernes resonansinteraktion med oscillerende elektroner, " siger Gao, "får bølgerne til at være stærkt begrænset til en metaloverflade. Dette skaber et stærkt optisk felt inden for et volumen på nanoskala, som er særligt velegnet til biomolekylær detektion. SPP'er blev opdaget for et halvt århundrede siden, men det er først for nylig, med modning af nanofabrikationsteknikker, at ingeniører har været i stand til at udnytte de plasmoniske nanostrukturer til frit at kontrollere interaktionerne mellem lysbølger og elektroner."

I et forsøg på at forbedre følsomheden af ​​dens nanoplasmoniske sensorenhed, Lehigh-gruppen har fokuseret på adskillige mål – at opnå en meget snævrere sansende spidslinjebredde, a higher spectral contrast and a larger peak shift for a moderate refractive index change.

After performing 3-D numerical simulations to test and optimize various parameters, the Lehigh group etched a 600-nm-diameter nanohole and three surrounding concentric grooves into a 300-nm-thick gold film deposited onto a glass substrate. This geometry, says Gao, achieved the proposed research goals and obtained greater sensitivity and imaging than the nanohole array sensors developed by other researchers.

"Other researchers investigating nanoplasmonic sensors have been limited by a very broad line width, " he says. "We want a much narrower line width, as well as a high spectral contrast and an intense transmission peak."

When the Lehigh researchers illuminated their device with a collimated white light beam, the light coupled with electrons in the concentric grooves to form SPPs, which propagated toward the nanohole in the center. There, the SPPs interfere with the light beam being transmitted through the hole.

"By careful structural tuning, " the researchers wrote in Lab on a Chip, "we can effectively control the phase and intensity properties of interfering SPPs and light waves to generate spectral fringes with high contrast, narrow line width and large amplitude, all key characteristics to achieve optimized spectral sensing."

"By controlling the size of the hole, " says Gao, "we control the intensity of the free-space light that is directly transmitted through the hole. By controlling the size of the grooves, we control the intensity of the SPPs to delicately balance two components and produce an interference pattern with large spectral contrast and narrow linewidth."

The resolution recorded by the group (0.4 picograms per mm-2) compares favorably with the resolution of commercial SPR systems (0.1 picograms per mm-2) but has the advantage of a sensor footprint that is smaller by two orders of magnitude.

I øvrigt, the Lehigh device has the potential to achieve simultaneous measurement from a high-density array of 144 sensors and, when combined with CCD imaging, is predicted to have significantly higher throughput as well.

"This is a very simple optical transmission geometry, " says Bartoli, "and it transforms the SPR from an expensive, bulky system to a low-cost monitoring platform without sacrificing performance.

"We believe our success promises revolutionary advances in low-cost, portable biomedical devices for point-of-care diagnostics and personalized healthcare applications, and also in other high-throughput sensing applications in proteomics, diagnostik, drug discovery and fundamental cell biology research."