Smart mobilværktøj kan bruges til at diagnosticere og behandle alvorlige sygdomme

At finde praktiske løsninger til at opdage proteiner, kræftbiomarkører, vira og andre små genstande har været en nøgleudfordring for forskere verden over i årtier. Disse løsninger lover at redde liv gennem mere rettidig diagnosticering og behandling af alvorlige infektioner og sygdomme.

Nu viser et UCLA-holds nye forskning, hvordan sådanne detektioner kan udføres for en brøkdel af prisen ved at bruge "smarte" mobile enheder designet af maskinlæring.

En metode til at detektere små objekter og relaterede biomarkører kaldes plasmonisk sensing, som involverer at skinne lys på metal nanostrukturer for at forstærke det lokale elektriske felt. Interaktionen mellem dette forstærkede elektriske felt og molekylet af interesse kan måles, afslører vigtig information om molekylær koncentration og kinetik. Selvom forskere har udforsket denne type sansning i årtier, de har stået over for udfordringer, når det kommer til miljøer uden for laboratorieindstillinger, der er begrænsede i ressourcer. Dette skyldes, at der er brug for dyre og omfangsrige instrumenter til dette arbejde.

Det primære mål med machine learning er at "træne" en algoritme med en stor mængde data, så den kan "lære" komplekse tendenser og statistikker og igen bruges til at forudsige resultater med langt mere nøjagtighed end en traditionel model. For eksempel, Google har brugt maskinlæring i sådanne applikationer som at genkende bogstaver og tal på vores gader og i vores hjem.

UCLA-holdet, ledet af Aydogan Ozcan, Chancellor's Professor of Electrical Engineering and Bioengineering og associeret direktør for California NanoSystems Institute, tog dette koncept og anvendte det til plasmonisk sansning, at konstruere en mobil og billig enhed, der er langt mere nøjagtig end konventionelle sensordesigns.

Prototypenheden er let og bærbar, bestående af et 3D-trykt plasthus, fire lysdioder, eller LED'er, i forskellige farver og et kamera. Som beskrevet i undersøgelsen, en maskinlæringsalgoritme vælger de fire mest optimale lysdioder ud af tusindvis af andre mulige valg, komme med det mest præcise design, og en beregningsmetode til at kvantificere sensoroutputtet. Dette arbejde sigter mod at tilvejebringe et designværktøj, som andre ingeniører og forskere kan bruge til at optimere deres egne billige optiske sensorlæsere til forskellige applikationer inden for sundhedspleje samt miljøovervågning.

Ved at bruge nyopdagede nanofabrikationsmetoder, forskerholdet var i stand til at producere fleksible plasmoniske sensorer, der er robuste og billige nok til at kunne bruges til engangsbrug. Disse sensorer kan undergå "overflademodifikation, " som sikrer, at kun de molekyler af interesse interagerer med det forstærkede elektriske felt.

Dette biokemitrin kan opfattes som to komplementære puslespilsbrikker, hvor et stykke er fastgjort til sensoroverfladen, forhindrer ethvert andet stykke end dets komplement til at forbinde det og forstyrre målingen. Dette betyder, at disse sensorer kan "modificeres" til at fange et hvilket som helst antal specifikke bio-mål såsom bakterier, vira eller kræftceller, blandt mange andre.

For at bruge denne plasmoniske læser, en flydende prøve, for eksempel blod eller urin, påføres sensoroverfladen ved hjælp af en engangsmikrochip. Sensoren passer derefter ind i en patron, der kan indsættes i enheden, som derefter automatisk måler og analyserer prøven, levere sanseresultatet. Forskerholdet siger, at en sådan plasmonisk læser kunne designes som en vedhæftet fil til mobiltelefoner for yderligere at reducere omkostningerne og drage fordel af cloud-forbindelse såvel som smartphones beregningskraft.

Studiets første forfatter er Zach Ballard, en elektroteknik kandidatstuderende og National Science Foundation stipendiat. Forskningen blev offentliggjort i ACS Nano.

"Forbløffende opdagelser og resultater bliver gjort dagligt på forskningsinstitutioner som UCLA, men ofte når ingeniører begynder at forestille sig at flytte denne videnskab ind i den virkelige verden, de rammer vejspærringer, "Ballard sagde." Så det er altid spændende for mig at se banebrydende teknologi blive mere praktisk. "