Het ontwerpen van gevoelige biosensoren voor eenmalig gebruik voor vroege diagnose blijft een grote uitdaging. Wetenschappers in China hebben submonolaaglasers op optische vezels uitgevonden als ultragevoelige wegwerpbare biosensoren.

Er werd een verbetering van zes ordes van grootte in de onderste detectielimiet (LOD) verkregen in vergelijking met verzadigde monolaaglasers. Ze demonstreerden een ultragevoelige immunoassay voor een biomarker voor de ziekte van Parkinson, alfa-synucleïne (α-syn), met een lagere LOD van 0,32 pM in serum.

Vroegtijdige detectie van ziekten zoals kanker en dementie, voordat deze ernstige, onomkeerbare symptomen vertonen, is van aanzienlijk belang voor de volksgezondheid en kan de morbiditeit en mortaliteit helpen terugdringen. In het vroege stadium van een ziekte is het lastig om de extreem lage concentraties biomarkers nauwkeurig in te schatten.

Optische microcaviteiten zijn de afgelopen twintig jaar geëvolueerd als een krachtig platform voor het versterken van optische signalen met sterke caviteitsfeedback, en worden op grote schaal gebruikt voor biologische analyse. De sterke afhankelijkheid van delicate fabricageprocedures en de essentiële koppelingsvereiste is echter zeer onwenselijk voor biosensoren voor eenmalig gebruik.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications , een team van wetenschappers, geleid door professor Yuan Gong van Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications (Ministerie van Onderwijs van China), School of Information and Communication Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, China, en co -werknemers hebben submonolaag-biolasers op optische vezels ontwikkeld als ultragevoelige wegwerpbare biosensoren.

Ze realiseerden massaproductie van de submonolaagbiolasers tegen verwaarloosbare kosten door gebruik te maken van optische vezelmicroholtes die verspreid waren over een buitengewone lengte van 10 km en ultrahoge Q-factoren van 10 ⁶ hadden. . In opvallend contrast met passieve microcaviteiten kan het pompen en detecteren van submonolaagbiolasers gemakkelijk worden uitgevoerd door optica in de vrije ruimte, waardoor de afhankelijkheid van kritische golfgeleiderkoppeling wordt geëlimineerd, en nog belangrijker, de ontwikkeling van biosensoren voor eenmalig gebruik met ultrahoge gevoeligheid mogelijk wordt gemaakt. P>

Verrassender was dat ze, door de versterkingsmoleculen naar de drempeldichtheid te duwen, aantoonden dat de submonolaagbiolaser een verbetering van zes ordes van grootte vertoont in de onderste detectielimiet (LOD) vergeleken met de monolaagbiolaser.

Het team heeft ook aangetoond dat hun submonolaagbiolaser mogelijk kan worden gebruikt bij klinische diagnose. Ze gebruikten de submonolaagbiolaser om een ​​biomarker voor de ziekte van Parkinson (PD) in serum te detecteren en verkregen een lagere LOD van 0,32 pM. Dit resultaat is ongeveer drie ordes van grootte lager dan de α-syn-concentratie in het serum van patiënten met de ziekte van Parkinson. De voorgestelde methode biedt een groot potentieel voor high-throughput klinische diagnose met ultieme gevoeligheid.

De wetenschappers vatten het mechanisme van de submonolaagbiolaser samen door te zeggen:"We hebben ontdekt dat de submonolaagbiolaser met optische versterking iets boven de laserdrempel de hoogste gevoeligheid heeft. Dit fenomeen kan worden verklaard door de bijdrage van de versterkingsmoleculen aan de laserwerking.">

"Als bijvoorbeeld 10.000 gain-moleculen deelnemen aan lasering, is de gemiddelde bijdrage van elk molecuul 1/10.000. Zodra we de gain-moleculen verlagen tot 100, zal de gemiddelde bijdrage van elk molecuul toenemen tot 1/100. De binding van één analyt molecuul op de optische vezel zal nog een bindingsplaats voor een versterkingsmolecuul vergroten. Daarom kan een hogere gevoeligheid worden verwacht met [een] biolaser met minder versterkingsmoleculen.

"We kozen voor commerciële optische vezels als [een] microholte om deze hypothese aan te tonen. De geometrie en oppervlakte-eigenschappen van optische vezels werden goed gecontroleerd tijdens het vezeltrekproces. De optische vezel kan worden beschouwd als gedistribueerde microholten met zeer reproduceerbare prestaties.

"Ondertussen is de prijs van optische vezels erg laag, waardoor wegwerpsensoren mogelijk zijn. De prijs van de SMF-28e optische vezel die in ons experiment wordt gebruikt, is bijvoorbeeld ongeveer $ 0,5 per meter. De submonolaaglaser is vervaardigd met een vezelsegment van ongeveer 2 cm lang, wat overeenkomt met een verwaarloosbare kostprijs van ongeveer $ 0,01.

"De submonolaagbiolaser is een algemeen detectieplatform dat kan worden gebruikt om soorten biomarkers te detecteren. De op laser gebaseerde biosensoren voor eenmalig gebruik met ultrahoge gevoeligheid kunnen een kosteneffectieve en vroege diagnose van ernstige ziekten mogelijk maken."

Meer informatie: Chaoyang Gong et al, Submonolaagbiolasers voor ultragevoelige biomarkerdetectie, Licht:wetenschap en toepassingen (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01335-8

Journaalinformatie: Licht:wetenschap en toepassingen

Aangeboden door TransSpread