Onderzoekers hebben een unieke inkjetprintmethode ontwikkeld voor het fabriceren van minuscule biocompatibele polymere microschijflasers voor biosensing-toepassingen. De aanpak maakt productie van zowel de laser als de sensor bij kamertemperatuur mogelijk, openluchtomgeving, mogelijk nieuwe toepassingen van biosensing-technologieën voor gezondheidsmonitoring en ziektediagnostiek mogelijk maken.

"De mogelijkheid om een ​​goedkope en draagbare commerciële inkjetprinter te gebruiken om een ​​sensor in een omgevingsomgeving te fabriceren, zou het mogelijk kunnen maken om indien nodig biosensoren ter plaatse te produceren, ", zei onderzoeksteamleider Hiroaki Yoshioka van de Kyushu University in Japan. "Dit zou kunnen helpen biosensing wijdverbreid te maken, zelfs in economisch achtergestelde landen en regio's, waar het kan worden gebruikt voor eenvoudige biochemische tests, inclusief die voor detectie van pathogenen."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optische materialen Express , de onderzoekers beschrijven het vermogen om microschijflasers zo klein als de diameter van een mensenhaar te printen uit een speciaal ontwikkeld polymeer genaamd FC-V-50. Ze laten ook zien dat de microschijven met succes kunnen worden gebruikt voor biosensing met het veelgebruikte biotine-avidinesysteem.

"Onze techniek kan worden gebruikt om op bijna elk substraat te printen, " zei Yoshioka. "Dit betekent dat het ooit mogelijk zou kunnen zijn om een ​​sensor voor gezondheidsmonitoring direct op het oppervlak van iemands vingernagel af te drukken, bijvoorbeeld."

Het elimineren van de hitte

Veel van de huidige biosensoren gebruiken de sterke interactie tussen de moleculen biotine en avidine om de aanwezigheid van eiwitten te detecteren die wijzen op infectie of ziekte. Dit houdt meestal in dat een molecuul van belang wordt gelabeld met biotine en vervolgens wordt gedetecteerd wanneer avidine eraan bindt.

Een manier om de binding van biotine-avidine te meten, is door een met biotine gelabeld eiwit toe te voegen aan het oppervlak van een optische microholte die werkt als een miniatuurlaser. Wanneer avidine zich bindt aan de biotine in de microholte, de optische eigenschappen ervan veranderen voldoende om de lichtemissie te verschuiven op een manier die kan worden gebruikt om binding te detecteren.

Echter, het modificatieproces dat nodig is om biotine aan het oppervlak van microholtes toe te voegen, is vervelend en tijdrovend. Het vereist ook hittebehandelingen op hoge temperatuur die niet compatibel zijn met alle materialen, zoals polymeren.

"We hebben een organische microdisk optische holtelaser ontwikkeld voor biosensing met behulp van FC-V-50, " zei Yoshioka. "Dit speciale inkjetpolymeer heeft een functionele carboxylgroep die compatibel is met biotine, waardoor elke vorm van warmtebehandeling overbodig is."

Sensoren afdrukken

Om microschijflasers te produceren, de onderzoekers ontwikkelden een inkt die FC-V-50 en een laserkleurstof bevatte. Een piëzo-element ingebed in een inkjetmondstuk ter grootte van een haar maakt een enkele, kleine inktdruppel die wordt uitgeworpen wanneer er spanning op wordt gezet. Eenmaal droog, deze gedrukte druppel zal licht uitstralen wanneer excitatielicht wordt toegepast. Terwijl het licht langs de binnenomtrek van de schijf reist, wordt het versterkt om laserlicht te genereren.

Om van de microdisklaser een sensor te maken, de onderzoekers printten een microschijf met behulp van hun inkjetmethode en voegden vervolgens reagentia toe waardoor biotine bij kamertemperatuur op het oppervlak kon immobiliseren. Vervolgens gebruikten ze licht om de microschijflaser onder een microscoop te exciteren en maten het referentielaseremissiespectrum. Volgende, ze goten de avidine-oplossing op het oppervlak van de microdisk en spoelden alles weg dat niet aan de biotine bond. De laseremissie werd opnieuw gemeten om te zien hoe deze afweek van het referentiespectrum.

Om de methode te testen, de onderzoekers fabriceerden biosensoren en maten hun vermogen om streptavidine-eiwit in verschillende concentraties te detecteren. Ze waren in staat om een ​​maximale modusverschuiving van 0,02 nanometer te detecteren voor een concentratie van 0,1 delen per miljoen streptavidine. Nu ze hebben aangetoond dat ze functionerende biosensoren kunnen printen, ze zijn van plan om de sensorprestaties verder te evalueren en te optimaliseren. Er zouden ook draagbare apparaten voor het meten van de lichtemissie moeten worden ontwikkeld voor de sensoren die op het punt van zorg worden gebruikt.