Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een op chips gebaseerde sensor met een geïntegreerde laser gebruikt om zeer lage niveaus van een kankereiwit-biomarker in een urinemonster te detecteren. De nieuwe technologie is gevoeliger dan andere ontwerpen en zou kunnen leiden tot niet-invasieve en goedkope manieren om moleculen te detecteren die wijzen op de aanwezigheid of progressie van een ziekte.

"De huidige methoden om biomarkerniveaus te meten zijn duur en geavanceerd, waarvoor biopsieën en analyse in gespecialiseerde laboratoria nodig zijn, ", zei onderzoeksteamleider Sonia M. Garcia-Blanco van de Universiteit Twente in Nederland. "De nieuwe technologie die we hebben ontwikkeld, maakt de weg vrij voor snellere en ultragevoelige detectie van panelen met biomarkers waarmee artsen tijdig beslissingen kunnen nemen die de gepersonaliseerde diagnose en behandeling van medische aandoeningen, waaronder kanker."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , een multi-institutionele groep onderzoekers gefinancierd door het H2020 Europese project GLAM (Glass multiplexed biosensor), laat zien dat de nieuwe sensor labelvrije detectie van S100A4 kan uitvoeren, een eiwit geassocieerd met de ontwikkeling van menselijke tumoren, op niveaus die klinisch relevant zijn.

"De biosensor kan point-of-care-apparaten mogelijk maken die tegelijkertijd op verschillende ziekten screenen, "zei Garcia-Blanco. "De bediening is eenvoudig en vereist geen ingewikkelde monsterbehandelingen of sensorbediening, waardoor het een uitstekende kandidaat is voor klinische toepassingen."

De onderzoekers zeggen dat de sensor potentieel heeft voor niet-biomedische toepassingen, ook. Bijvoorbeeld, het kan ook worden gebruikt om verschillende soorten gassen of vloeistofmengsels te detecteren.

Een sensor met hoge gevoeligheid maken

De nieuwe chipgebaseerde sensor detecteert de aanwezigheid van specifieke moleculen door het monster te belichten met licht van een on-chip microdisklaser. Wanneer het licht interageert met de biomarker van belang, wordt de kleur, of frequentie, van dit laserlicht verschuift op een detecteerbare manier.

Om detectie in urinemonsters uit te voeren, de onderzoekers moesten uitzoeken hoe ze een laser konden integreren die in een vloeibare omgeving zou kunnen werken. Ze wendden zich tot het fotonische materiaal aluminiumoxide, omdat het, wanneer het is gedoteerd met ytterbium-ionen, kan worden gebruikt om een ​​laser te fabriceren die uitzendt in een golflengtebereik buiten de lichtabsorptieband van water, terwijl het toch de precieze detectie van de biomarkers mogelijk maakt.

"Hoewel er al sensoren bestaan ​​die gebaseerd zijn op het monitoren van frequentieverschuivingen van lasers, ze komen vaak in geometrieën die niet gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd op kleine, beschikbare fotonische spaanders, " zei Garcia-Blanco. "Aluminiumoxide kan eenvoudig monolithisch op de chip worden vervaardigd en is compatibel met standaard elektronische fabricageprocedures. Dit betekent dat de sensoren op een grote, industriële schaal."

Het gebruik van een microschijflaser in plaats van de niet-laserende ringresonatoren die in andere soortgelijke sensoren worden gebruikt, opent de deur naar ongekende gevoeligheid. De gevoeligheid komt voort uit het feit dat de laserlijnbreedte veel smaller is dan de resonanties van passieve ringresonatoren. Zodra andere geluidsbronnen, zoals thermische ruis, worden geëlimineerd, deze methode zal de detectie van zeer kleine frequentieverschuivingen van biomarkers bij zeer lage concentraties mogelijk maken.

Detectie van minieme biomarkerconcentraties

Na het ontwikkelen en toepassen van een oppervlaktebehandeling die de van belang zijnde biomarkers in complexe vloeistoffen zoals urine vastlegt, de onderzoekers testten de nieuwe sensor met synthetische urine met bekende biomarkerniveaus. Ze waren in staat om S100A4 te detecteren bij concentraties zo laag als 300 picomolair.

"Detectie in dit concentratiebereik toont het potentieel van het platform voor labelvrije biosensing, "zei Garcia-Blanco. "Bovendien, de detectiemodule kan potentieel zeer eenvoudig worden gemaakt met behulp van de ontwikkelde technologie, waardoor het een stap dichter bij de uiteindelijke toepassing buiten het laboratorium komt."

De onderzoekers werken eraan om alle relevante optische bronnen en signaalgeneratiecomponenten op de chip te integreren om het apparaat nog eenvoudiger te bedienen. Ze willen ook verschillende coatings ontwikkelen waarmee parallelle detectie van een grote verscheidenheid aan biomarkers mogelijk is.