OIST-onderzoekers creëren een nieuwe sensor die zowel de lading als de massa van biomoleculen kan meten met mogelijke toepassingen in de diagnostiek van de gezondheidszorg.

Microfluïdische platforms hebben de afgelopen jaren een revolutie teweeggebracht in de medische diagnostiek. In plaats van bloed- of urinemonsters naar een laboratorium te sturen voor analyse, artsen kunnen een enkele druppel bloed of urine van een patiënt op verschillende ziekten testen op de point-of-care zonder dat dure instrumenten nodig zijn. Voordat het monster echter kan worden getest, artsen moeten specifieke ziektedetecterende biomoleculen in het microfluïdische platform inbrengen. Terwijl je dat doet, er moet voor worden gezorgd dat deze biomoleculen goed aan de binnenkant van het apparaat zijn gebonden om te voorkomen dat ze door het binnenkomende monster worden weggespoeld. Aangezien deze voorbereidende stap tijdrovend kan zijn, het zou voordelig zijn als microfluïdische platforms vooraf zouden kunnen worden voorbereid met specifieke biomoleculen die aan de binnenkant zijn verzegeld. Echter, dit afdichtingsproces vereist blootstelling van de componenten van het apparaat aan hoogenergetisch of 'geïoniseerd' gas en of biomoleculen dit harde proces kunnen overleven, is onbekend.

Om deze vraag te beantwoorden, onderzoekers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben een nieuwe sensor gemaakt die biomoleculen nauwkeuriger dan ooit tevoren detecteert. Deze sensor werd gebruikt om aan te tonen dat biomoleculen met succes kunnen worden afgesloten in microfluïdische apparaten. De resultaten hebben ingrijpende implicaties voor de diagnostiek van de gezondheidszorg en bieden mogelijkheden voor het produceren van voorverpakte microfluïdische platformbloed- of urinetestapparatuur.

traditioneel, metaaloxide halfgeleider (MOS) sensoren worden gebruikt om de binding van biomoleculen aan een oppervlak te detecteren door veranderingen in lading te meten. Bestaat uit een silicium halfgeleiderlaag, een glasisolatielaag en een gouden metaallaag, deze sensoren zijn opgenomen in een elektrisch circuit waarbij het biomolecuul in een met elektrolyt gevulde plastic put bovenop de sensor zit. Als je dan een spanning aanbrengt en stroom meet, u kunt de lading berekenen aan de hand van de afgegeven capaciteitswaarde. Biomoleculen met verschillende ladingen geven u verschillende capaciteitsmetingen, waarmee je de aanwezigheid van biomoleculen kunt kwantificeren.

De nieuwe sensor gemaakt door onderzoekers van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit van OIST, meet lading met dezelfde techniek als conventionele sensoren, maar heeft de extra functie van het meten van massa. In plaats van een massief gouden metaallaag, de zogenaamde nano-metaal-isolator halfgeleider (nMIS) -sensor heeft een laag van kleine gouden metalen eilandjes. Als je licht laat schijnen op deze nanostructuren, de oppervlakte-elektronen beginnen te oscilleren op een bepaalde frequentie. Wanneer biomoleculen aan deze nano-eilanden worden toegevoegd, de frequentie van deze oscillaties verandert evenredig met de massa van het biomolecuul. Op basis van deze wijziging je kunt deze techniek gebruiken om de massa van het biomolecuul te meten, en bevestig of het de blootstelling aan geïoniseerd gas overleeft tijdens inkapseling binnen het microfluïdische platform.

"We hebben een eenvoudige sensor gemaakt die zeer complexe vragen over oppervlaktechemie kan beantwoorden, " zegt Dr. Nikhil Bhalla die werkte aan de creatie van de nMIS-sensor.

Het meten van twee fundamentele eigenschappen van chemische oppervlaktereacties op hetzelfde apparaat betekent dat onderzoekers er veel zekerder van kunnen zijn dat biomoleculen met succes zijn ingekapseld in het microfluïdische platform. Een meting van alleen lading of massa kan misleidend zijn, waardoor het lijkt alsof biomoleculen aan een oppervlak zijn gebonden, terwijl dat in feite niet het geval is. Als u meer dan één techniek in hetzelfde apparaat heeft, kunt u van de ene modus naar de andere overschakelen om te zien of u hetzelfde resultaat krijgt.

"Scientists have to validate one reaction with multiple techniques to confirm that an observation is authentic. If you've got a sensor that enables the detection of two parameters on a single platform, then it is really beneficial for the sensing community, " says Dr. Bhalla.

"By combining these two simple measurement techniques into one compact platform, it opens doors to create portable and reliable sensing technologies in the future", adds PhD student Shivani Sathish.

In a proof-of-concept experiment, by combining information about both the mass and charge of the biomolecule, the scientists were able to show that a common biomolecule survives exposure to ionized gas at a specific energy level. A single reading of charge alone gives a misleading result, but looking at the complementary parameters together allows for more accurate biomolecule detection.

This novel nMIS sensor could be used to create microfluidic platforms that test for various diseases. By measuring charge and mass using the nMIS sensor, researchers can ensure that disease-detecting biomolecules are successfully sealed and functional inside the testing device.

"It would be like a pre-packaged pregnancy test, " says Professor Amy Shen, head of OIST's Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "If there is already something adsorbed then all you have to do is introduce whatever sample you are using, such as urine or blood."

It might also be possible to combine several biomarkers in the same device to test for different diseases at the same time. By integrating this dual sensing technology with the ready-to-use devices, it offers great promise in the field of healthcare diagnostics owing to its advantages of portability and point-of-care testing.