(Phys.org) —Durante el último medio siglo, Los biosensores han abierto una nueva ventana al mundo físico al tiempo que han revolucionado gran parte de la sociedad moderna.

Al utilizar un sistema electrónico u óptico, los biosensores detectan e interactúan con los componentes de materiales biológicos, que permite analizar el ADN, medir el contenido de glucosa en la sangre, detectar biotoxinas en el agua y la atmósfera y mucho más.

Las ventas de biosensores alcanzaron los $ 8.5 mil millones en todo el mundo en 2012 y se espera que se dupliquen a $ 16.8 en 2018. Estados Unidos, con $ 2.6 mil millones en ventas en 2012, lidera el mercado mundial.

Yongkang Gao ha pasado gran parte de los últimos tres años utilizando nanotecnología para mejorar la velocidad, eficiencia y sensibilidad de los biosensores mientras se reduce drásticamente su tamaño y costo de operación.

Su objetivo es transformar los biosensores de resonancia de plasmón de superficie (SPR) relativamente voluminosos de hoy en día, que ocupan la mayor parte de un escritorio, en biosensores nanoplásmicos que se pueden sostener en la mano y pueden realizar cientos de pruebas:médicas, ambientales u otros, a la vez.

Gao, quien completó su Ph.D. en ingeniería eléctrica en enero y ahora es investigadora de los laboratorios Bell en Nueva Jersey, es el autor principal de un artículo que un equipo de investigadores de ingeniería de Lehigh publicó recientemente en la revista Laboratorio en un chip . El grupo también contribuyó con la imagen de portada del número.

Titulado "Arreglos de sensores de interferometría plasmónica para detección biomolecular sin etiquetas de alto rendimiento, "el artículo fue escrito en coautoría con Zheming Xin, Beibei Zeng, Qiaoqiang Gan, Xuanhong Cheng y Filbert J. Bartoli. Xin y Zeng son Ph.D. candidatos. Gan, quien obtuvo su Ph.D. de Lehigh en 2010, es profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo. Bartoli, la Cátedra de Ingeniería Eléctrica e Informática otorgada por Chandler Weaver, es el Ph.D. de Gao. asesor y lidera el proyecto. Cheng, el P.C. Rossin Profesor asistente en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales, es director del Laboratorio de Micro y Nanotecnología para Diagnóstico y Biología de Lehigh.

Mejorando el "patrón oro"

Los científicos han logrado un gran progreso en las últimas décadas con biosensores etiquetados que utilizan un receptor unido a una molécula fluorescente para apuntar a biomoléculas. Cuando se produce la unión entre las moléculas diana y receptora, la etiqueta fluorescente emite una señal luminosa cuyo color proporciona información sobre las identidades de las dos moléculas que se unen y la fuerza del enlace.

Más recientemente, Los científicos han desarrollado un enfoque de detección sin etiquetas, que mide un simple cambio en la señal óptica o eléctrica para determinar qué moléculas se han unido y qué tan fuertes son sus enlaces. Sin el uso de procesos de etiquetado costosos y que consumen mucho tiempo, Los investigadores han demostrado una biosensación sin etiquetas que es simple y rápida, y eso elimina cualquier interferencia no deseada entre etiquetas y biomoléculas.

Tecnología SPR, que se ha utilizado comercialmente durante más de 20 años, representa el "estándar de oro" actual para la biodetección sin etiquetas, dice Gao. Los biosensores SPR pueden monitorear la unión biomolecular en tiempo real mientras brindan información sobre la cinética de la unión, afinidad, especificidad y concentración, todo sin el uso de etiquetado. Los sensores se utilizan ampliamente en pruebas de drogas, diagnósticos, proteómica (el estudio de proteínas en organismos vivos) e inmunología.

Pero el diseño de acoplamiento de prisma utilizado en la mayoría de los sistemas de biosensores SPR, dice Bartoli, requiere instrumentación que es engorrosa, complejo y caro, limitando su uso principalmente a aplicaciones de investigación de laboratorio.

Para superar estas limitaciones, los investigadores están recurriendo a la nanotecnología. Avances en técnicas de fabricación, dice Gao, han hecho posible construir, en un chip, nanoestructuras que tienen dimensiones similares a las de las ondas de luz visible, o alrededor de 400 a 700 nanómetros (1 nm es una mil millonésima parte de un metro). Pero si bien estos dispositivos a nanoescala son más pequeños, más simple y económico que los biosensores SPR convencionales, hasta ahora son de uno a dos órdenes de magnitud menos sensibles.

Al combinar dos nuevos enfoques —arquitecturas nanoplásmicas e interferometría— el grupo Lehigh ha logrado retener la simplicidad de los biosensores a nanoescala mientras mejora la resolución del sensor a niveles casi tan sensibles como los alcanzados por los sistemas SPR comerciales.

Las arquitecturas plasmónicas se basan en polaritones de plasmón superficial (SPP), un tipo de onda electromagnética que se genera cuando un haz de luz se acopla con una onda oscilante de electrones en la superficie de un metal. La interferometría es una técnica experimental que utiliza la interferencia de ondas de luz para producir información sobre cambios en el índice de refracción. irregularidades de la superficie y otros fenómenos que involucran la interacción de la luz y la materia.

"La interacción resonante de ondas de luz con electrones oscilantes, "dice Gao, "hace que las ondas estén muy confinadas a una superficie metálica. Esto crea un fuerte campo óptico dentro de un volumen a nanoescala, que es especialmente adecuado para la detección biomolecular. Los SPP se descubrieron hace medio siglo, pero solo recientemente, con la maduración de las técnicas de nanofabricación, que los ingenieros han podido explotar las nanoestructuras plasmónicas para controlar libremente las interacciones entre las ondas de luz y los electrones ".

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. Allí, 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.

Es más, 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, diagnostics, drug discovery and fundamental cell biology research."