(Phys.org) — In de afgelopen halve eeuw biosensoren hebben een nieuw venster geopend op de fysieke wereld en hebben een revolutie teweeggebracht in een groot deel van de moderne samenleving.

Door gebruik te maken van een elektronisch of optisch systeem, biosensoren detecteren en interageren met de componenten van biologische materialen, het mogelijk maken om DNA te analyseren, meet het glucosegehalte in het bloed, biotoxines in het water en de atmosfeer detecteren en nog veel meer.

De verkoop van biosensoren bereikte in 2012 wereldwijd $ 8,5 miljard en zal naar verwachting verdubbelen tot $ 16,8 in 2018. De Verenigde Staten, met een omzet van $ 2,6 miljard in 2012, leidt de wereldmarkt.

Yongkang Gao heeft de afgelopen drie jaar veel gebruik gemaakt van nanotechnologie om de snelheid te verbeteren, efficiëntie en gevoeligheid van biosensoren, terwijl hun omvang en bedrijfskosten drastisch worden verlaagd.

Zijn doel is om de huidige relatief omvangrijke oppervlakteplasmonresonantie (SPR) biosensoren te transformeren, die het grootste deel van een desktop in beslag nemen, in nanoplasmonische biosensoren die in de hand kunnen worden gehouden en honderden tests kunnen uitvoeren - medische, milieu of iets anders - tegelijk.

Gao, die zijn Ph.D. in elektrotechniek in januari en is nu onderzoeker bij Bell Labs in New Jersey, is de hoofdauteur van een artikel dat een team van Lehigh technische onderzoekers onlangs in het tijdschrift heeft gepubliceerd Lab op een chip . De groep droeg ook de omslagafbeelding voor het nummer bij.

Getiteld "Plasmonische interferometrische sensorarrays voor hoogwaardige labelvrije biomoleculaire detectie, " het artikel was co-auteur met Zheming Xin, Beibei Zeng, Qiaoqiang Gan, Xuanhong Cheng en Hazelnoot J. Bartoli. Xin en Zeng zijn Ph.D. kandidaten. Gan, die zijn Ph.D. van Lehigh in 2010, is assistent-professor elektrotechniek aan de State University van New York in Buffalo. Bartoli, de Chandler Weaver bijzonder leerstoel voor elektrische en computertechniek, is Gao's Ph.D. adviseur en leidt het project. Cheng, de pc Rossin Universitair Docent bij de afdeling materiaalkunde en techniek, is directeur van Lehigh's Lab voor Micro- en Nanotechnologie voor Diagnostiek en Biologie.

Verbetering van de "gouden standaard"

Wetenschappers hebben de afgelopen decennia grote vooruitgang geboekt met gelabelde biosensoren die een receptor gebruiken die aan een fluorescerend molecuul is bevestigd om zich op biomoleculen te richten. Wanneer binding optreedt tussen de doel- en receptormoleculen, het fluorescerende label zendt een lichtsignaal uit waarvan de kleur informatie geeft over de identiteit van de twee moleculen die binden en de sterkte van de binding.

Recenter, wetenschappers hebben een labelvrije detectiebenadering ontwikkeld, die een eenvoudige verandering in het optische of elektrische signaal meet om te bepalen welke moleculen zijn gebonden en hoe sterk hun bindingen zijn. Zonder het gebruik van tijdrovende en kostbare etiketteringsprocessen, onderzoekers hebben labelvrije biosensing aangetoond die eenvoudig en snel is, en dat elimineert elke ongewenste interferentie tussen labels en biomoleculen.

SPR-technologie, die al meer dan 20 jaar commercieel wordt gebruikt, vertegenwoordigt de huidige "gouden standaard" voor labelvrije biosensing, zegt Gao. SPR-biosensoren kunnen biomoleculaire binding in realtime volgen terwijl ze informatie verstrekken over bindingskinetiek, affiniteit, specificiteit en concentratie, allemaal zonder het gebruik van etikettering. De sensoren worden veel gebruikt bij het testen van medicijnen, diagnostiek, proteomics (de studie van eiwitten in levende organismen) en immunologie.

Maar het ontwerp van de prismakoppeling dat in de meeste SPR-biosensorsystemen wordt gebruikt, zegt Bartoli, vereist instrumentatie die omslachtig is, ingewikkeld en duur, het gebruik ervan voornamelijk te beperken tot toepassingen voor laboratoriumonderzoek.

Om deze beperkingen te overwinnen, onderzoekers wenden zich tot nanotechnologie. Vooruitgang in fabricagetechnieken, zegt Gao, hebben mogelijk gemaakt om te bouwen, op een chip, nanostructuren die afmetingen hebben die vergelijkbaar zijn met die van zichtbare lichtgolven, of ongeveer 400 tot 700 nanometer (1 nm is een miljardste van een meter). Maar hoewel deze apparaten op nanoschaal kleiner zijn, eenvoudiger en goedkoper dan conventionele SPR-biosensoren, tot nu toe zijn ze een tot twee ordes van grootte minder gevoelig.

Door twee nieuwe benaderingen te combineren - nanoplasmonische architecturen en interferometrie - is de Lehigh-groep erin geslaagd de eenvoud van biosensoren op nanoschaal te behouden en de sensorresolutie te verbeteren tot niveaus die bijna net zo gevoelig zijn als die van commerciële SPR-systemen.

Plasmonische architecturen zijn gebaseerd op oppervlakteplasmonpolaritonen (SPP's), een type elektromagnetische golf die wordt gegenereerd wanneer een lichtstraal wordt gekoppeld aan een oscillerende golf van elektronen in het oppervlak van een metaal. Interferometrie is een experimentele techniek die de interferentie van lichtgolven gebruikt om informatie te verkrijgen over brekingsindexveranderingen, oppervlakte-onregelmatigheden en andere verschijnselen die de interactie van licht en materie met zich meebrengen.

"De resonante interactie van lichtgolven met oscillerende elektronen, " zegt Gao, " zorgt ervoor dat de golven zeer beperkt zijn tot een metalen oppervlak. Dit creëert een sterk optisch veld binnen een volume op nanoschaal, die vooral geschikt is voor biomoleculaire detectie. SPP's werden een halve eeuw geleden ontdekt, maar het is pas recent, met de rijping van nanofabricagetechnieken, dat ingenieurs de plasmonische nanostructuren hebben kunnen exploiteren om de interacties tussen lichtgolven en elektronen vrijelijk te beheersen."

In an effort to improve the sensitivity of its nanoplasmonic sensing device, the Lehigh group has focused on several goals—achieving a much narrower sensing peak line width, a higher spectral contrast and a larger peak shift for a moderate refractive index change.

After performing 3-D numerical simulations to test and optimize various parameters, the Lehigh group etched a 600-nm-diameter nanohole and three surrounding concentric grooves into a 300-nm-thick gold film deposited onto a glass substrate. This geometry, says Gao, achieved the proposed research goals and obtained greater sensitivity and imaging than the nanohole array sensors developed by other researchers.

"Other researchers investigating nanoplasmonic sensors have been limited by a very broad line width, " he says. "We want a much narrower line width, as well as a high spectral contrast and an intense transmission peak."

When the Lehigh researchers illuminated their device with a collimated white light beam, the light coupled with electrons in the concentric grooves to form SPPs, which propagated toward the nanohole in the center. Daar, the SPPs interfere with the light beam being transmitted through the hole.

"By careful structural tuning, " the researchers wrote in Lab on a Chip, "we can effectively control the phase and intensity properties of interfering SPPs and light waves to generate spectral fringes with high contrast, narrow line width and large amplitude, all key characteristics to achieve optimized spectral sensing."

"By controlling the size of the hole, " says Gao, "we control the intensity of the free-space light that is directly transmitted through the hole. By controlling the size of the grooves, we control the intensity of the SPPs to delicately balance two components and produce an interference pattern with large spectral contrast and narrow linewidth."

The resolution recorded by the group (0.4 picograms per mm-2) compares favorably with the resolution of commercial SPR systems (0.1 picograms per mm-2) but has the advantage of a sensor footprint that is smaller by two orders of magnitude.

Bovendien, the Lehigh device has the potential to achieve simultaneous measurement from a high-density array of 144 sensors and, when combined with CCD imaging, is predicted to have significantly higher throughput as well.

"This is a very simple optical transmission geometry, " says Bartoli, "and it transforms the SPR from an expensive, bulky system to a low-cost monitoring platform without sacrificing performance.

"We believe our success promises revolutionary advances in low-cost, portable biomedical devices for point-of-care diagnostics and personalized healthcare applications, and also in other high-throughput sensing applications in proteomics, diagnostiek, drug discovery and fundamental cell biology research."