(Phys.org) - Los biosensores ópticos sin etiquetas permiten el monitoreo de biomoléculas y sus interacciones en ensayos de diagnóstico a menudo altamente sensibles. Se han empleado varios métodos para este propósito, incluyendo biosensores en modo Whispering Gallery (WGM), que ofrece un enfoque particularmente sensible para cuantificar la carga de masa de biomoléculas en la superficie del resonador con una sensibilidad final estimada en el nivel de una sola molécula. El biosensor WGM más simple es una microesfera de vidrio (típicamente de 50 a 100 mm de diámetro) donde la luz resonante permanece confinada por la reflexión interna total.
Los sensores WGM obtienen su sensibilidad sin precedentes del uso de resonancias ópticas de factor de alta calidad (factor Q) para monitorear las señales de cambio de longitud de onda al unirse las biomoléculas o nanoperlas a la superficie del resonador. Incluso se podría detectar un solo virus. Todavía, si por ejemplo se detectará una sola molécula de proteína, hay que aumentar la sensibilidad. Ha habido varios enfoques, como la generación de puntos calientes utilizando un concepto híbrido de detección fotónico-plasmónica con una capa de nanopartículas de oro (NP) acoplada a un biosensor WGM. Sin embargo, hay algunos inconvenientes:Primero, las mediciones no se pueden realizar directamente en solución. Segundo, El análisis en tiempo real no es posible ya que las proteínas tienen que ser adsorbidas previamente en las NP. Tercera, las proteínas se adsorben aleatoriamente dentro de la capa NP, fuera de los sitios de mejora del campo plasmónico, lo que reduce la sensibilidad de detección.
Un equipo germano-estadounidense dirigido por Frank Vollmer y Melik C. Demirel propone ahora un concepto alternativo que supera estos problemas:el atrapamiento óptico de moléculas de proteína en los sitios de mejoras del campo plasmónico en una capa de NP de oro aleatoria. La integración estable del biosensor de microesferas WGM con una capa de NP de oro humedecida es fundamental para lograr una detección ultrasensible. Por lo tanto, la cavidad de la microesfera de sílice permanece fija en la capa de Au NP. El factor Q de la microesfera cae ligeramente pero todavía está en el rango de 105. Después de agregar una solución de albúmina de suero bovino (BSA) en microlitros de volúmenes de muestra, que entra en la capa de NP por succión capilar, los investigadores observaron un cambio de longitud de onda significativo inesperadamente grande.
La sensibilidad alcanzada en el orden de los niveles de concentración de femtomoles fue muy sorprendente, y no se puede explicar por la unión aleatoria de las moléculas de BSA a la superficie de la NP. En lugar de, Los científicos plantearon la hipótesis de que las moléculas de proteína prefieren unirse a ubicaciones de puntos calientes (es decir, NP aleatorias muy poco espaciadas) de resonancias de plasmón excitadas en la capa de NP debido al atrapamiento óptico. Para validar esta hipótesis, calcularon la distribución del campo electromagnético en un modelo de capa NP utilizando la teoría de Mie generalizada y simularon el cambio de longitud de onda esperado debido a la unión de proteínas. Sus cálculos mostraron que, Por supuesto, El atrapamiento óptico de las proteínas en ubicaciones de puntos calientes plasmónicos altamente sensibles es esencial para lograr una alta sensibilidad en la biodetección de microcavidades.
La sensibilidad alcanzada en el orden de los niveles de concentración de femtomoles fue muy sorprendente, y no se puede explicar por la unión aleatoria de las moléculas de BSA a la superficie de la NP. En lugar de, Los científicos plantearon la hipótesis de que las moléculas de proteína prefieren unirse a ubicaciones de puntos calientes (es decir, NP aleatorias muy poco espaciadas) de resonancias de plasmón excitadas en la capa de NP debido al atrapamiento óptico. Para validar esta hipótesis, calcularon la distribución del campo electromagnético en un modelo de capa NP utilizando la teoría de Mie generalizada y simularon el cambio de longitud de onda esperado debido a la unión de proteínas. Sus cálculos mostraron que, Por supuesto, El atrapamiento óptico de las proteínas en ubicaciones de puntos calientes plasmónicos altamente sensibles es esencial para lograr una alta sensibilidad en la biodetección de microcavidades.
El equipo, compuesto por científicos de la Universidad Estatal de Pensilvania (EE. UU.), en BASF SE (Ludwigshafen, Alemania), el Instituto de Tecnología de Massachusetts (Cambridge, ESTADOS UNIDOS), y el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (Erlangen, Alemania), ha establecido una nueva ruta prometedora hacia la resolución de una sola molécula en biosensores WGM acoplados a nanoantenas plasmónicas modificadas o aleatorias. El uso de una capa de NP aleatoria tiene la ventaja de integrarse a un dispositivo de microfluidos, y las NP de oro se pueden funcionalizar fácilmente con elementos de reconocimiento como oligonucleótidos o proteínas. El enfoque podría ser de interés para muchas áreas, incluida la biodetección médica y la detección de drogas.
