Het identificeren van de virale infectie van een patiënt of het diagnosticeren van een bloedaandoening vereist meestal een laboratorium en bekwame technici. Maar onderzoekers van Princeton University hebben een nieuwe technologie ontwikkeld die een heel eind gaat in de richting van de vervanging van het laboratorium door een enkele microchip.

In een belangrijke stap in de richting van het stellen van medische diagnoses met behulp van draagbare apparaten, de onderzoekers hebben siliciumchiptechnologie aangepast die vergelijkbaar is met die in personal computers en mobiele telefoons om als biosensor te functioneren. De technologie maakt gebruik van kleine metaallagen die zijn ingebed in een microchip om alle complexe en omvangrijke optische instrumenten die in de diagnostische laboratoria worden gebruikt, te elimineren. Als resultaat, het nieuwe systeem is bijna zo klein als een korreltje zout, en veel minder kostbaar om te vervaardigen dan de huidige diagnostische systemen.

"Het belangrijkste idee is om complexe optische systemen in moderne chips, " zei Kaushik Sengupta, een assistent-professor elektrotechniek en een van de projectleiders. "Alle smartphones hebben een camera van een miljoen pixels. Hoe maken we hiervan een apparaat dat diagnostiek van laboratoriumkwaliteit mogelijk maakt?"

Een commerciële op fluorescentie gebaseerde biosensor draagt ​​typisch een reeks klassieke optische componenten, waaronder meerdere filtersets, lenzen en roosters. Hoe gevoeliger het systeem is, hoe duurder en omvangrijker de opstelling.

"We laten zien dat deze complexe optische biosensorsystemen ook kunnen worden gerealiseerd in dezelfde technologie zonder enige verandering in de productie van de microchip, ' zei Sengupta.

De onderzoekers ontdekten dat kleine metaallagen die al in moderne microchips zijn ingebouwd, relatief eenvoudig kunnen worden aangepast om te profiteren van het ongebruikelijke gedrag van licht bij interactie met structuren die kleiner zijn dan een enkele golflengte van licht. Door het licht op deze manier te benutten, kunnen duizenden biologische stoffen worden gedetecteerd, van bacterieel DNA tot hormonen. En omdat moderne microchips al zijn ontworpen om extreem klein te zijn, deze structuren kunnen worden gemaakt met behulp van standaard fabricagetechnieken, zei Sengupta.

Hoewel er meer werk nodig is, de onderzoekers hopen dat de technologie zal leiden tot diagnostische systemen in een pil of ingezet op een smartphone.

"We laten voor het eerst zien dat dit niveau van optische veldmanipulatie mogelijk is in een siliciumchip. Door alle klassieke optica te elimineren, het systeem is nu klein genoeg dat je zou kunnen overwegen om het in een pil te stoppen, "Zei Sengupta. "Je zou kunnen gaan nadenken over diagnostiek in het lichaam op een manier waar je eerder niet aan kon denken."

In twee kranten, de eerste gepubliceerde 12 september, 2018, in het journaal ACS Fotonica en de tweede op 1 november 2018, in Biomedische Optica Express , de onderzoekers meldden dat ze een sensor hebben ontwikkeld die moleculen zoals DNA en eiwitten kan detecteren in monsters van slechts één microliter met gevoeligheden die vergelijkbaar zijn met commerciële instrumenten in een diagnostisch laboratorium. (Er zit ongeveer 50 microliter in een druppel water.)

De nieuwe sensorchip, als een klassieke laboratoriumopstelling, detecteert gerichte moleculen met behulp van chemische antilichamen die zijn ontworpen om te reageren in de aanwezigheid van een specifiek molecuul. De antilichamen worden gemodificeerd om licht te genereren met een specifieke golflengte (fluorescentie) wanneer ze worden blootgesteld aan het doelwit.

In een standaard laboratorium de antilichamen worden in kleine putjes op een testplaat geplaatst ter grootte van een speelkaart. Om het geheel klein genoeg te maken om op een chip van 4 mm per zijde te passen, Sengupta en zijn groep werkten samen met de groep onder leiding van Haw Yang, een scheikunde professor, om nieuwe technieken te ontwikkelen om de antilichamen te bereiden en te verspreiden. Werken als team tussen twee laboratoria in Princeton, de onderzoekers konden een plaat met 96 antilichaamsensoren ontwerpen die klein genoeg is om op de chip te passen.

Net als in een standaard laboratorium, de kleine plaat wordt blootgesteld aan een testmonster, meestal een vloeistof. Antilichamen die in contact komen met hun specifieke doelmolecuul zullen een zwak rood oplichten wanneer ze worden blootgesteld aan ultraviolet licht. Helaas, de rode gloed is ongelooflijk zwak in vergelijking met het ultraviolette licht dat wordt gebruikt om het te activeren. Dat vormde een van de belangrijkste obstakels voor de onderzoekers.

"De verhouding van licht is de moordenaar, "Zei Sengupta. "We schijnen tussen de 10 miljoen en 100 miljoen fotonen op het doel voor elk foton dat we terugkrijgen."

Een groot deel van de ruimte die in een standaard tafeldetector wordt ingenomen, bestaat uit optica en lenzen die worden gebruikt om deze kleine rode gloed te filteren om deze te onderscheiden van de wassing van triggerend licht. De nieuwe technologie stelt de onderzoekers in staat om dit systeem af te schaffen door het licht te verwerken met behulp van minuscule metalen lagen die in de microchip zijn ingebed.

"Als je deze enorm schaalbare optica combineert met een miljard transistors in dezelfde chip, een hele reeks nieuwe mogelijkheden opent zich. Om de dingen zo klein te maken, we moesten ze op een fundamenteel andere manier doen, ' zei Sengupta.

Omdat de kleine structuren in de siliciumchip zijn ingebouwd, de onderzoekers zeiden dat het systeem in massa kan worden geproduceerd en dat het geen gedetailleerde montage in een laboratorium vereist. Sengupta zei dat het vermogen om het apparaat snel en goedkoop te produceren van cruciaal belang zal zijn voor de uiteindelijke productie van nieuwe detectieapparatuur.

"Zodra we de diagnostiek goedkoper maken, " zegt Sengupta, "we kunnen diagnostiek mogelijk maken in de derde wereld. En het is niet alleen diagnostiek. Wat we hier hebben bedacht, is slechts een goedkope, uiterst kleine fluorescerende sensor, en u kunt fluorescerende detectie voor veel verschillende dingen gebruiken:voor het bewaken van de voedsel- en waterkwaliteit, milieu Controle, en industriële toepassingen."