Ny sensor, der er i stand til at måle både ladning og masse af biomolekyler

OIST-forskere skaber en ny sensor, der er i stand til at måle både ladning og masse af biomolekyler med potentielle anvendelser inden for sundhedsdiagnostik.

Mikrofluidiske platforme har revolutioneret medicinsk diagnostik i de seneste år. I stedet for at sende blod- eller urinprøver til et laboratorium til analyse, læger kan teste en enkelt dråbe af en patients blod eller urin for forskellige sygdomme på klinikken uden behov for dyre instrumenter. Inden prøven kan testes, skal læger skal indsætte specifikke sygdomsdetekterende biomolekyler i den mikrofluidiske platform. Mens du gør det, det skal sikres, at disse biomolekyler er godt bundet til indersiden af ​​enheden for at beskytte dem mod at blive skyllet ud af den indkommende prøve. Da dette forberedende trin kan være tidskrævende, det ville være fordelagtigt, hvis mikrofluidiske platforme kunne komme præpareret med specifikke biomolekyler forseglet indeni. Imidlertid, denne forseglingsproces kræver, at enhedens komponenter udsættes for højenergi eller 'ioniseret' gas, og om biomolekyler kan overleve denne barske proces er ukendt.

For at besvare dette spørgsmål, forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har skabt en ny sensor, der registrerer biomolekyler mere præcist end nogensinde før. Denne sensor blev brugt til at demonstrere, at biomolekyler med succes kan forsegles i mikrofluidiske enheder. Resultaterne har dybtgående implikationer for diagnostik i sundhedssektoren og åbner op for muligheder for at producere færdigpakkede mikrofluidiske platforme til blod- eller urinprøveapparater.

Traditionelt, metaloxid-halvleder-sensorer (MOS) bruges til at detektere bindingen af ​​biomolekyler til en overflade ved at måle ændringer i ladningen. Består af et silicium halvlederlag, et glasisolatorlag og et guldmetallag, disse sensorer er indbygget i et elektrisk kredsløb, hvor biomolekylet sidder i en elektrolytfyldt plastikbrønd oven på sensoren. Hvis du derefter anvender en spænding og måler strøm, du kan regne ladningen ud fra den afgivne kapacitansaflæsning. Biomolekyler med forskellige ladninger vil give dig forskellige kapacitansaflæsninger, gør dig i stand til at kvantificere tilstedeværelsen af ​​biomolekyler.

Den nye sensor skabt af forskere i OIST's Micro/Bio/Nanofluidics Unit, måler ladning ved hjælp af den samme teknik som konventionelle sensorer, men har den ekstra funktion at måle masse. I stedet for at have et solidt guldmetallag, den såkaldte nano-metal-isolator semiconductor (nMIS) sensor har et lag af bittesmå guldmetaløer. Hvis du kaster lys over disse nanostrukturer, overfladeelektronerne begynder at oscillere ved en bestemt frekvens. Når biomolekyler føjes til disse nanoøer, frekvensen af ​​disse svingninger ændres proportionalt med biomolekylets masse. Baseret på denne ændring, du kan bruge denne teknik til at måle massen af ​​biomolekylet, og bekræfte, om den overlever eksponering for ioniseret gas under indkapsling i den mikrofluidiske platform.

"Vi lavede en simpel sensor, der kan besvare meget komplekse overfladekemispørgsmål, " siger Dr. Nikhil Bhalla, der arbejdede på skabelsen af ​​nMIS-sensoren.

Måling af to grundlæggende egenskaber ved overfladekemiske reaktioner på den samme enhed betyder, at forskere kan være langt mere sikre på, at biomolekyler er blevet indkapslet med succes i den mikrofluidiske platform. En måling af ladning eller masse alene kan være vildledende, får det til at se ud som om biomolekyler har bundet sig til en overflade, mens de faktisk ikke har det. Having more than one technique in the same device means that you can switch from one mode to the other to see if you have the same result.

"Scientists have to validate one reaction with multiple techniques to confirm that an observation is authentic. If you've got a sensor that enables the detection of two parameters on a single platform, then it is really beneficial for the sensing community, " says Dr. Bhalla.

"By combining these two simple measurement techniques into one compact platform, it opens doors to create portable and reliable sensing technologies in the future", adds PhD student Shivani Sathish.

In a proof-of-concept experiment, by combining information about both the mass and charge of the biomolecule, the scientists were able to show that a common biomolecule survives exposure to ionized gas at a specific energy level. A single reading of charge alone gives a misleading result, but looking at the complementary parameters together allows for more accurate biomolecule detection.

This novel nMIS sensor could be used to create microfluidic platforms that test for various diseases. By measuring charge and mass using the nMIS sensor, researchers can ensure that disease-detecting biomolecules are successfully sealed and functional inside the testing device.

"It would be like a pre-packaged pregnancy test, " says Professor Amy Shen, head of OIST's Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "If there is already something adsorbed then all you have to do is introduce whatever sample you are using, such as urine or blood."

It might also be possible to combine several biomarkers in the same device to test for different diseases at the same time. By integrating this dual sensing technology with the ready-to-use devices, it offers great promise in the field of healthcare diagnostics owing to its advantages of portability and point-of-care testing.