La luz de bombeo acoplada al dispositivo produjo un láser en un resonador microring. La superficie del resonador contiene sondas (moléculas de anclaje rojas en el anillo) que capturan los analitos de interés. La luz láser en el anillo se extiende hacia el líquido. Cuando los analitos de interés (triángulos azules) se adhieren a las sondas de captura, esto es detectado por el campo fuera del láser microring, cambiando la frecuencia de la emisión láser. Este desplazamiento se puede medir con mucha precisión permitiendo la detección de cantidades minúsculas de analitos que fluyen sobre el sensor de una manera "específica" (es decir, las partículas rosadas no se unen a la capa de captura y, por lo tanto, no se detectan). En la figura, las guías de ondas son verdes (color real producido por la conversión ascendente de los dopantes que inducen la emisión láser) y se puede ver un canal de microfluidos en el que fluyen diferentes partículas de izquierda a derecha. Crédito:Rick Seubers, Grupo de Ciencias Ópticas, Universidad de Twente
Por primera vez, Los investigadores han utilizado un sensor basado en chip con un láser integrado para detectar niveles muy bajos de un biomarcador de proteína del cáncer en una muestra de orina. La nueva tecnología es más sensible que otros diseños y podría conducir a formas no invasivas y económicas de detectar moléculas que indican la presencia o progresión de una enfermedad.
"Los métodos actuales para medir los niveles de biomarcadores son costosos y sofisticados, requiriendo biopsias y análisis en laboratorios especializados, ", dijo la líder del equipo de investigación Sonia M. García-Blanco de la Universidad de Twente en los Países Bajos." La nueva tecnología que desarrollamos allana el camino para una detección más rápida y ultrasensible de paneles de biomarcadores que permitirán a los médicos tomar decisiones oportunas que mejoren diagnóstico y tratamiento personalizado de condiciones médicas, incluido el cáncer ".
En la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica , un grupo multiinstitucional de investigadores financiado por el proyecto europeo H2020 GLAM (Glass multiplexed biosensor), muestra que el nuevo sensor puede realizar la detección sin etiquetas de S100A4, una proteína asociada con el desarrollo de tumores humanos, a niveles clínicamente relevantes.
"El biosensor podría habilitar dispositivos en el punto de atención que detectan simultáneamente varias enfermedades, "dijo García-Blanco." Su operación es simple y no requiere tratamientos de muestra complicados o operación del sensor, lo que lo convierte en un excelente candidato para aplicaciones clínicas ".
Los investigadores dicen que el sensor tiene potencial para aplicaciones no biomédicas, así como. Por ejemplo, también se puede utilizar para detectar diferentes tipos de gases o mezclas líquidas.
Creando un sensor de alta sensibilidad
El nuevo sensor basado en chip detecta la presencia de moléculas específicas iluminando la muestra con luz de un láser de microdisco integrado en el chip. Cuando la luz interactúa con el biomarcador de interés, el color, o frecuencia, de esta luz láser cambia de forma detectable.
Para realizar la detección en muestras de orina, los investigadores tuvieron que descubrir cómo integrar un láser que pudiera funcionar en un entorno líquido. Se volvieron hacia el óxido de aluminio material fotónico, porque cuando se dopa con iones de iterbio, se puede utilizar para fabricar un láser que emite en un rango de longitud de onda fuera de la banda de absorción de luz del agua y, al mismo tiempo, permite la detección precisa de los biomarcadores.
"Aunque ya existen sensores basados en la supervisión de los cambios de frecuencia de los láseres, a menudo vienen en geometrías que no se integran fácilmente en pequeños, chips fotónicos desechables, ", dijo García-Blanco." El óxido de aluminio se puede fabricar fácilmente de forma monolítica en chip y es compatible con los procedimientos de fabricación electrónicos estándar. Esto significa que los sensores se pueden producir en una gran escala industrial."
El uso de un láser de microdiscos en lugar de los resonadores de anillo sin láser utilizados en otros sensores similares abre la puerta a una sensibilidad sin precedentes. La sensibilidad proviene del hecho de que el ancho de la línea láser es mucho más estrecho que las resonancias de los resonadores de anillo pasivos. Una vez que otras fuentes de ruido, como el ruido térmico, son eliminados, este método permitirá la detección de cambios de frecuencia muy pequeños de biomarcadores a concentraciones muy bajas.
Detección de concentraciones mínimas de biomarcadores
Después de desarrollar y aplicar un tratamiento superficial que capture los biomarcadores de interés en líquidos complejos como la orina, los investigadores probaron el nuevo sensor con orina sintética que contenía niveles de biomarcadores conocidos. Pudieron detectar S100A4 en concentraciones tan bajas como 300 picomolar.
"La detección en este rango de concentración muestra el potencial de la plataforma para la biodetección sin etiquetas, "dijo García-Blanco." Además, el módulo de detección puede simplificarse potencialmente utilizando la tecnología desarrollada, acercándolo un paso más a la aplicación final fuera del laboratorio ".
Los investigadores están trabajando para incorporar todas las fuentes ópticas relevantes y los componentes de generación de señales en el chip para hacer que el dispositivo sea aún más simple de operar. También quieren desarrollar varios recubrimientos que permitan la detección paralela de una gran variedad de biomarcadores.
