El diseño de biosensores sensibles y de un solo uso para el diagnóstico temprano sigue siendo un gran desafío. Científicos chinos han inventado láseres submonocapa sobre fibras ópticas como biosensores ultrasensibles y desechables.
Se obtuvo una mejora de seis órdenes de magnitud en el límite inferior de detección (LOD) en comparación con los láseres monocapa saturados. Demostraron un inmunoensayo ultrasensible para un biomarcador de la enfermedad de Parkinson, la alfa-sinucleína (α-syn), con un LOD más bajo de 0,32 pM en suero.
La detección temprana de enfermedades como el cáncer y la demencia, antes de que manifiesten síntomas graves e irreversibles, es de considerable importancia para la salud pública y puede ayudar a reducir la morbilidad y la mortalidad. En las primeras etapas de una enfermedad, es difícil estimar con precisión las concentraciones extremadamente bajas de biomarcadores.
Las microcavidades ópticas han evolucionado como una poderosa plataforma para amplificar señales ópticas con una fuerte retroalimentación de la cavidad durante las últimas dos décadas y se han utilizado ampliamente para análisis biológicos. Sin embargo, la fuerte dependencia de los delicados procedimientos de fabricación y el requisito de acoplamiento esencial son altamente indeseables para los biosensores de un solo uso.
En un nuevo artículo publicado en Light:Science &Applications , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Yuan Gong del Laboratorio Clave de Detección y Comunicaciones de Fibra Óptica (Ministerio de Educación de China), Escuela de Ingeniería de Información y Comunicaciones, Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, Chengdu, China, y compañía. -Los trabajadores han desarrollado bioláseres submonocapa sobre fibra óptica como biosensores ultrasensibles y desechables.
Realizaron la producción en masa de bioláseres submonocapa a un costo insignificante utilizando microcavidades de fibra óptica que estaban distribuidas a lo largo de una extraordinaria longitud de 10 km y tenían factores Q ultraaltos de 10 6 . . En sorprendente contraste con las microcavidades pasivas, el bombeo y la detección de biolásers submonocapa se pueden realizar cómodamente mediante óptica de espacio libre, lo que elimina la dependencia del acoplamiento crítico de guías de ondas y, lo que es más importante, permite el desarrollo de biosensores de un solo uso con sensibilidad ultraalta. P>
Más sorprendentemente, al empujar las moléculas de ganancia hasta el umbral de densidad, demostraron que el bioláser submonocapa muestra una mejora de seis órdenes de magnitud en el límite inferior de detección (LOD) en comparación con el bioláser monocapa.
El equipo también demostró que su bioláser submonocapa puede emplearse potencialmente en el diagnóstico clínico. Emplearon el bioláser submonocapa para detectar un biomarcador de la enfermedad de Parkinson (EP) en suero y obtuvieron un LOD más bajo de 0,32 pM. Este resultado es aproximadamente tres órdenes de magnitud menor que la concentración de α-syn en el suero de pacientes con enfermedad de Parkinson. El método propuesto ofrece un gran potencial en el diagnóstico clínico de alto rendimiento con máxima sensibilidad.
Los científicos resumen el mecanismo del bioláser submonocapa y dicen:"Descubrimos que el bioláser submonocapa con ganancia óptica ligeramente por encima del umbral láser tiene la mayor sensibilidad. Este fenómeno puede explicarse por la contribución de las moléculas de ganancia en la acción del láser.
"Por ejemplo, cuando 10.000 moléculas de ganancia participan en el láser, la contribución promedio de cada molécula es 1/10.000. Una vez que disminuimos las moléculas de ganancia a 100, la contribución promedio de cada molécula aumentará a 1/100. La unión de un analito La molécula en la fibra óptica aumentará un sitio de unión más para una molécula de ganancia. Por lo tanto, se puede esperar una mayor sensibilidad con [un] bioláser con menos moléculas de ganancia.
"Elegimos la fibra óptica comercial como [una] microcavidad para demostrar esta hipótesis. La geometría y las propiedades de la superficie de la fibra óptica se controlaron bien durante el proceso de estirado de la fibra. La fibra óptica puede considerarse como microcavidades distribuidas con un rendimiento altamente reproducible.
"Mientras tanto, el precio de la fibra óptica es muy bajo, lo que hace posibles los sensores desechables. Por ejemplo, el precio de la fibra óptica SMF-28e utilizada en nuestro experimento es de aproximadamente 0,5 dólares por metro. El láser submonocapa se fabrica con un segmento de fibra de aproximadamente 2 cm. de largo, lo que corresponde a un costo insignificante de alrededor de 0,01 dólares.
"El bioláser submonocapa es una plataforma de detección general que se puede emplear para detectar tipos de biomarcadores. Los biosensores láser de un solo uso con sensibilidad ultraalta podrían permitir un diagnóstico temprano y rentable de enfermedades importantes".
Más información: Chaoyang Gong et al, Bioláser submonocapa para la detección de biomarcadores ultrasensibles, Luz:ciencia y aplicaciones (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01335-8
Información de la revista: Luz:ciencia y aplicaciones
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