Identificar a infecção viral de um paciente ou diagnosticar um distúrbio do sangue geralmente requer um laboratório e técnicos qualificados. Mas os pesquisadores da Universidade de Princeton desenvolveram uma nova tecnologia que ajuda muito a substituir o laboratório por um único microchip.

Em uma etapa importante para a realização de diagnósticos médicos usando dispositivos portáteis, os pesquisadores adaptaram uma tecnologia de chip de silício semelhante à encontrada em computadores pessoais e telefones celulares para funcionar como um biossensor. A tecnologia usa minúsculas camadas de metal embutidas em um microchip para eliminar toda a instrumentação óptica complexa e volumosa empregada nos laboratórios de diagnóstico. Como resultado, o novo sistema é quase tão pequeno quanto um grão de sal, e muito mais barato de fabricar do que os sistemas de diagnóstico atuais.

"A ideia principal é permitir sistemas ópticos complexos em chips modernos, "disse Kaushik Sengupta, professor assistente de engenharia elétrica e um dos líderes do projeto. "Todos os smartphones carregam uma câmera de um milhão de pixels. Como podemos transformar isso em um dispositivo que permite diagnósticos com qualidade de laboratório?"

Um biossensor comercial baseado em fluorescência normalmente carrega uma série de componentes ópticos clássicos, incluindo vários conjuntos de filtros, lentes e grades. Quanto mais sensível é o sistema, mais caro e volumoso é o arranjo.

"Mostramos que esses complexos sistemas de biossensores ópticos também podem ser realizados na mesma tecnologia, sem absolutamente nenhuma mudança na fabricação do microchip, "Sengupta disse.

Os pesquisadores descobriram que minúsculas camadas de metal já construídas em microchips modernos podem ser adaptadas com relativa facilidade para aproveitar o comportamento incomum da luz ao interagir com estruturas menores do que um único comprimento de onda de luz. Aproveitar a luz dessa forma permite a detecção de milhares de substâncias biológicas, desde o DNA bacteriano até os hormônios. E como os microchips modernos já são projetados para serem extremamente pequenos, essas estruturas podem ser feitas usando técnicas de fabricação padrão, Sengupta disse.

Embora seja necessário mais trabalho, os pesquisadores esperam que a tecnologia leve a sistemas de diagnóstico contidos em uma pílula ou implantados em um smartphone.

"Mostramos pela primeira vez que esse nível de manipulação de campo óptico é possível em um chip de silício. Ao eliminar todas as ópticas clássicas, o sistema agora é pequeno o suficiente para que você possa começar a pensar em colocá-lo em uma pílula, "Sengupta disse." Você poderia começar a pensar sobre os diagnósticos dentro do corpo de uma forma que não imaginava antes. "

Em dois jornais, o primeiro publicado em 12 de setembro, 2018, no jornal ACS Photonics e a segunda em 1º de novembro, 2018, no Biomedical Optics Express , os pesquisadores relataram que desenvolveram um sensor que pode detectar moléculas como DNA e proteínas em amostras tão pequenas quanto um microlitro com sensibilidades comparáveis ​​à instrumentação comercial em laboratórios de diagnóstico. (Existem cerca de 50 microlitros em uma gota de água.)

O novo chip sensor, como uma configuração de laboratório clássico, detecta moléculas-alvo usando anticorpos químicos projetados para reagir na presença de uma molécula específica. Os anticorpos são modificados para gerar luz em um comprimento de onda específico (fluorescência) quando são expostos ao alvo.

Em um laboratório padrão, os anticorpos são colocados em pequenos poços em uma placa de teste do tamanho de uma carta de jogo. Para tornar o conjunto pequeno o suficiente para caber no chip medindo 4 mm de cada lado, Sengupta e seu grupo trabalharam com o grupo liderado por Haw Yang, um professor de química, desenvolver novas técnicas de preparação e distribuição de anticorpos. Trabalhando em equipe entre dois laboratórios em Princeton, os pesquisadores foram capazes de projetar uma placa com 96 sensores de anticorpos que é pequena o suficiente para caber no chip.

Como em um laboratório padrão, a pequena placa é exposta a uma amostra de teste, normalmente um líquido. Os anticorpos que entram em contato com sua molécula-alvo específica brilharão em um vermelho fraco quando expostos à luz ultravioleta. Infelizmente, o brilho vermelho é incrivelmente fraco em comparação com a luz ultravioleta usada para ativá-lo. Isso representou um dos obstáculos mais significativos para os pesquisadores.

"A proporção da luz é o assassino, "Sengupta disse." Estamos brilhando entre 10 milhões e 100 milhões de fótons no alvo para cada fóton que recebermos. "

Muito do espaço ocupado em um detector de mesa padrão é composto de ótica e lentes usadas para filtrar esse minúsculo brilho vermelho a fim de distingui-lo da lavagem da luz de ativação. A nova tecnologia permite que os pesquisadores acabem com esse sistema usando minúsculas camadas de metal embutidas no microchip para processar a luz.

"Quando você combina essas óticas altamente escaláveis ​​com um bilhão de transistores em um mesmo chip, um novo conjunto de possibilidades se abre. Para tornar as coisas tão pequenas, tivemos que fazê-los de uma maneira fundamentalmente diferente, "Sengupta disse.

Como as estruturas minúsculas são construídas no chip de silício, os pesquisadores disseram que o sistema pode ser produzido em massa e não requer montagem detalhada em um laboratório. Sengupta disse que a capacidade de fabricar o dispositivo de forma rápida e barata será crítica para a eventual produção de novos equipamentos de detecção.

"Assim que tornarmos o diagnóstico mais barato, "diz Sengupta, "podemos permitir diagnósticos no mundo em desenvolvimento. E não se trata apenas de diagnósticos. O que descobrimos aqui é apenas um custo baixo, minúsculo sensor fluorescente, e você pode usar o sensoriamento fluorescente em muitas coisas diferentes:para monitoramento da qualidade dos alimentos e da água, monitoramento ambiental, e aplicações industriais. "