In de niet al te verre toekomst, mensen hebben misschien een eenvoudig apparaat dat gezondheidsindicatoren bewaakt en rapporteert, identificeert zelfs sporen van ongewenste biomarkers in het bloed of speeksel en dient als een vroegtijdig waarschuwingssysteem voor ziekten. Dit is een van de beloften van gepersonaliseerde geneeskunde.

Een dergelijke technologische revolutie kan een stap dichterbij komen dankzij een krachtig hulpmiddel dat is ontwikkeld door onderzoekers van EPFL's BioNanoPhotonic Systems (BIOS) Laboratory. Het bestaat uit een ultradunne, geminiaturiseerde optische chip gekoppeld aan een standaard CMOS-camera en aangedreven door beeldanalyse, die biomoleculen afzonderlijk in een monster telt en hun locatie bepaalt. Hun onderzoek is gepubliceerd in Natuurfotonica .

Een zeer krachtige sensor

Deze technologie is gebaseerd op meta-oppervlakken, een recente ontwikkeling op het gebied van fotonica. Meta-oppervlakken zijn platen van kunstmatige materialen die zijn bedekt met miljoenen nano-elementen die op een speciale manier zijn gerangschikt. Bij een bepaalde frequentie deze elementen zijn in staat om licht in extreem kleine volumes te persen, het creëren van ultragevoelige optische hotspots.

Wanneer licht op het meta-oppervlak schijnt en een molecuul raakt op een van deze hotspots, het molecuul wordt onmiddellijk gedetecteerd. In feite, het molecuul geeft zichzelf weg door de golflengte van het licht dat erop valt te veranderen.

Moleculen scannen en hun foto maken

Door gekleurde lichten van verschillende kleuren op het meta-oppervlak te schijnen en elke keer een foto te maken met een CMOS-camera, de onderzoekers kunnen het aantal moleculen in een monster tellen en precies leren wat er op de sensorchip gebeurt. "Vervolgens gebruiken we slimme datawetenschapstools om de miljoenen CMOS-pixels die via dit proces zijn verkregen te analyseren en trends te identificeren, " zegt Filiz Yesilkoy, de eerste auteur van het artikel. "We hebben aangetoond dat we niet alleen individuele biomoleculen op de hotspots kunnen detecteren en afbeelden, maar zelfs een enkele grafeenplaat die maar één atoom dik is."

Hun werk een stap verder brengen, de onderzoekers ontwikkelden een tweede versie van hun systeem, met meta-oppervlakken die zijn geprogrammeerd om te resoneren op verschillende golflengten in verschillende regio's. "Deze techniek is eenvoudiger, maar het is ook minder precies in het lokaliseren van de moleculen, " zegt Eduardo R. Arvelo, een van de co-auteurs van het artikel.

Hatice Altug, die het BIOS-lab runt en het project leidt aan de School of Engineering, ziet een enorm potentieel op het gebied van optica. "Licht heeft veel attributen - zoals intensiteit, fase en polarisatie - en is in staat om door de ruimte te reizen. Dit betekent dat optische sensoren een belangrijke rol kunnen spelen bij het aangaan van toekomstige uitdagingen, met name op het gebied van gepersonaliseerde geneeskunde."