Een nieuwe plasmonische sensor ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign zal dienen als een betrouwbare vroege detectie van biomarkers voor vele vormen van kanker en uiteindelijk andere ziekten.

De sensor is betrouwbaar gebleken om de aanwezigheid van de kankerbiomarker carcino-embryonaal antigeen (CEA) te detecteren tot een grootte van 1 nanogram per milliliter. De meeste mensen dragen ten minste enkele hoeveelheden CEA bij zich met een gemiddeld bereik van 3-5 nanogram per milliliter. De onderzoekers kozen ervoor om zich te concentreren op CEA omdat de aanwezigheid ervan in hogere concentraties een vroege indicator is van vele vormen van kanker, waaronder long- en prostaatkanker.

"Kanker is een van de belangrijkste doodsoorzaken in de Verenigde Staten, aangezien bij meer dan de helft van de nieuwe patiënten de diagnose wordt gesteld nadat het zich al heeft verspreid. " legde Ameen uit. "Dit toont de zwaartekracht waarmee dit probleem moet worden aangepakt en dit nieuwe ontwerp van een plasmonische sensor helpt om de lagere concentratie CEA in een eerdere staat te detecteren."

De plasmonische sensor is om een ​​aantal redenen een verbetering van de huidige state-of-the-art methode. Eerst, het was in staat om de detectielimiet met ten minste twee ordes van grootte te verbeteren. In feite, de meeste methoden zijn niet in staat om de aanwezigheid van CEA nauwkeurig te detecteren totdat het een hogere concentratie bereikt.

Ten tweede, omdat het met veel minder instrumentatie werkt, het is minder duur en draagbaarder en vereist niet de expertise om een ​​meting te maken. Het betekent ook dat in plaats van een flesje bloed nodig te hebben voor een test, een simpele vingerprik is voldoende. Dit aspect zal vooral belangrijk zijn voor degenen die niet in de buurt van een geavanceerde medische faciliteit wonen, inclusief die in ontwikkelingslanden.

Het onderzoeksteam werd geleid door Logan Liu, en Lynford Goddard, universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek met studenten Abid Ameen en Lisa Hackett die het project uitvoeren. Het team publiceerde zijn resultaten in Geavanceerde optische materialen als omslagartikel.

Het apparaat combineert twee detectiemethoden, die tot die tijd niet samen konden worden gebruikt. Eerst, het maakt gebruik van een 3D meerlagige nanoholte in een nanocup-array, waardoor het licht kan worden opgeslagen in de holte die bestaat uit twee metalen lagen (in dit geval goud) die een isolatorlaag omringen.

Ten tweede, het maakt gebruik van plasmonische waarneming, die gevoelige interacties tussen licht en materie op nanoschaal detecteert met biomoleculen op het oppervlak van het apparaat. Het produceert een verbeterde veldopsluiting en een verbeterd gelokaliseerd veld. Door de plasmonische structuur, het licht wordt efficiënter uitgekoppeld naarmate de omringende brekingsindex verandert.

"Door plasmonische eigenschappen en de optische holte-eigenschappen samen in één apparaat te combineren, zijn we in staat om een ​​lagere concentratie van biomarker te detecteren door lichtopsluiting en transmissie in respectievelijk de holtelaag en vanaf de bovenkant van het apparaat, gebaseerd op de dikte van de meerlagen en de brekingsindex van de spouwlaag, ' legde Amien uit.

"De nanocup-array zorgt voor een buitengewone optische transmissie, Hackett voegde eraan toe. "Als je een dunne metalen film neemt en er licht doorheen probeert te laten schijnen, er zal bijna geen licht doorgelaten worden. Als u echter een periodieke reeks nanogaten plaatst, of in ons geval een nanocup-structuur, dan zie je een resonantietoestand waarbij bij een bepaalde golflengte, je zult een piek hebben in de transmissie via dit apparaat."

Omdat de resonantie verandert bij een enkele golflengte en omdat de spectrale kenmerken referentielocaties hebben, excitatie en detectie kunnen betrouwbaar worden uitgevoerd zonder gespecialiseerde apparatuur. Met dit apparaat, in plaats van een laser kan een LED-lichtbron worden gebruikt en in plaats van een high-end spectrometer kan een fotocel of camerabeeld worden gebruikt.

"Vanwege onze meerlaagse, goed presterende plasmonstructuur, we waren in staat om het licht zeer efficiënt naar het verre veld te verstrooien, Hackett zei. "Als je de brekingsindex van het detectiegebied verhoogt, het zorgt ervoor dat de opgeslagen energie uitkoppelt. Meestal als je dit soort refractometrische plasmonische sensoren hebt, je hebt een verschuiving in de hoek of een verandering in je golflengte wanneer aan de resonantievoorwaarde is voldaan. In ons geval, omdat we een nanoholte hebben ingebouwd, we hebben een vaste resonantiegolflengte."

Naarmate de concentratie van biomoleculen (in dit geval CEA) toeneemt, dat geldt ook voor de brekingsindex, die een toename van de transmissie-intensiteit produceert bij een vaste golflengte die gemakkelijk kan worden gedetecteerd.

"Wat dat in de toekomst betekent, is dat we deze sensor kunnen nemen, die we hebben geoptimaliseerd en geïntegreerd met een LED en hebben de meest compacte instrumentatie, in feite helemaal geen geavanceerde instrumenten, "Zei Ameen. "Hierdoor kunnen plasmonische detectie met hoge prestaties naar draagbare meetsystemen en grootschalige draagbare sensoren gaan."

Voor nu, detectiemethoden voor kankerbiomarkers worden geïmplementeerd bij hoogrisicopatiënten, vooral kankerpatiënten in remissie. Ze nemen de tijd, gespecialiseerde apparatuur, en zijn arbeidsintensief.

In de toekomst, echter, vanwege de draagbaarheid en het goedkope karakter van deze methode, het kan gemakkelijker aan elke patiënt worden toegediend bij routinecontroles. Hierdoor zouden mensen met een verhoogde CEA-concentratie kunnen worden behandeld nog voordat kankercellen zich in het lichaam verspreiden.

"Op dit moment wordt kanker dichter bij het eindstadium ontdekt, ' merkte Ameen op. 'We willen het zo vroeg mogelijk opsporen. Ons apparaat biedt ons die mogelijkheid."

Hoewel deze studie detectie in een klein menselijk serummonster aantoonde, de methode zou later kunnen worden gebruikt voor de detectie van andere ziekten.

"In de toekomst, als ze zeer kosteneffectief en draagbaar worden gemaakt, "Haket zei, "Het zou geweldig zijn om te zien dat mensen meer controle over hun gezondheid kunnen nemen en zoiets zelf kunnen controleren."