Los investigadores de OIST crean un sensor novedoso capaz de medir tanto la carga como la masa de biomoléculas con aplicaciones potenciales en el diagnóstico de la salud.

Las plataformas de microfluidos han revolucionado el diagnóstico médico en los últimos años. En lugar de enviar muestras de sangre u orina a un laboratorio para su análisis, los médicos pueden analizar una sola gota de sangre u orina de un paciente para detectar diversas enfermedades en el punto de atención sin la necesidad de instrumentos costosos. Sin embargo, antes de que se pueda analizar la muestra, los médicos deben insertar biomoléculas de detección de enfermedades específicas en la plataforma de microfluidos. Mientras lo hace, Debe asegurarse que estas biomoléculas estén bien adheridas al interior del dispositivo para protegerlas de que la muestra entrante las elimine. Como este paso preparatorio puede llevar mucho tiempo, Sería ventajoso que las plataformas de microfluidos pudieran venir preparadas con biomoléculas específicas selladas en su interior. Sin embargo, Este proceso de sellado requiere la exposición de los componentes del dispositivo a alta energía o gas 'ionizado' y se desconoce si las biomoléculas pueden sobrevivir a este duro proceso.

Para responder a esta pregunta, Los investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han creado un sensor novedoso que detecta biomoléculas con mayor precisión que nunca. Este sensor se utilizó para demostrar que las biomoléculas se pueden sellar con éxito dentro de dispositivos de microfluidos. Los resultados tienen profundas implicaciones para los diagnósticos sanitarios y abren oportunidades para producir dispositivos de análisis de sangre u orina con plataforma de microfluidos preenvasados.

Tradicionalmente, Los sensores semiconductores de óxido metálico (MOS) se utilizan para detectar la unión de biomoléculas a una superficie midiendo los cambios de carga. Compuesto por una capa semiconductora de silicio, una capa aislante de vidrio y una capa de metal dorado, estos sensores están incorporados en un circuito eléctrico con la biomolécula colocada en un pozo de plástico lleno de electrolito en la parte superior del sensor. Si luego aplica un voltaje y mide la corriente, puede calcular la carga a partir de la lectura de capacitancia emitida. Las biomoléculas con diferentes cargas le darán diferentes lecturas de capacitancia, lo que le permite cuantificar la presencia de biomoléculas.

El novedoso sensor creado por investigadores de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos de OIST, mide la carga utilizando la misma técnica que los sensores convencionales, pero tiene la función adicional de medir la masa. En lugar de tener una capa de metal dorado macizo, el llamado sensor semiconductor nano-metal-aislante (nMIS) tiene una capa de diminutas islas de metal dorado. Si iluminas estas nanoestructuras, los electrones de la superficie comienzan a oscilar a una frecuencia específica. Cuando se agregan biomoléculas a estas nanoislas, la frecuencia de estas oscilaciones cambia proporcionalmente a la masa de la biomolécula. Basado en este cambio, puedes usar esta técnica para medir la masa de la biomolécula, y confirmar si sobrevive a la exposición a gas ionizado durante la encapsulación dentro de la plataforma de microfluidos.

"Creamos un sensor simple que puede responder preguntas muy complejas sobre la química de la superficie, "dice el Dr. Nikhil Bhalla, quien trabajó en la creación del sensor nMIS.

La medición de dos propiedades fundamentales de las reacciones químicas de la superficie en el mismo dispositivo significa que los investigadores pueden estar mucho más seguros de que las biomoléculas se han encapsulado con éxito dentro de la plataforma de microfluidos. Una medición de carga o masa por sí sola podría ser engañosa, haciendo que parezca que las biomoléculas se han unido a una superficie cuando en realidad no lo han hecho. Tener más de una técnica en el mismo dispositivo significa que puede cambiar de un modo a otro para ver si obtiene el mismo resultado.

"Los científicos tienen que validar una reacción con múltiples técnicas para confirmar que una observación es auténtica. Si tiene un sensor que permite la detección de dos parámetros en una sola plataforma, entonces es realmente beneficioso para la comunidad de sensores, "dice el 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.