A luz da bomba acoplada ao dispositivo produziu o lasing em um ressonador microring. A superfície do ressonador contém sondas (moléculas de âncora vermelhas no anel) que capturam os analitos de interesse. A luz do laser no anel se estende para o fluido. Quando analitos de interesse (triângulos azuis) se ligam às sondas de captura, isso é detectado pelo campo fora do laser de microring, mudando a frequência da emissão do laser. Esta mudança pode ser medida com muita precisão, permitindo a detecção de quantidades mínimas de analitos fluindo sobre o sensor de uma maneira "específica" (isto é, as partículas rosa não se ligam à camada de captura e, portanto, não são detectadas). Na figura, o guia de ondas é verde (cor real produzida pela conversão ascendente dos dopantes que induzem a emissão do laser) e um canal microfluídico pode ser visto no qual diferentes partículas fluem da esquerda para a direita. Crédito:Rick Seubers, Grupo de Ciências Óticas, Universidade de Twente
Pela primeira vez, os pesquisadores usaram um sensor baseado em chip com um laser integrado para detectar níveis muito baixos de um biomarcador de proteína de câncer em uma amostra de urina. A nova tecnologia é mais sensível do que outros designs e pode levar a maneiras não invasivas e baratas de detectar moléculas que indicam a presença ou progressão de uma doença.
"Os métodos atuais para medir os níveis de biomarcadores são caros e sofisticados, exigindo biópsias e análises em laboratórios especializados, "disse a líder da equipe de pesquisa Sonia M. Garcia-Blanco, da Universidade de Twente, na Holanda." A nova tecnologia que desenvolvemos abre caminho para a detecção mais rápida e ultrassensível de painéis de biomarcadores que permitirão aos médicos tomar decisões oportunas que melhorem diagnóstico personalizado e tratamento de condições médicas, incluindo câncer. "
No jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica , um grupo multi-institucional de pesquisadores financiado pelo projeto europeu H2020 GLAM (biossensor multiplexado de vidro), mostra que o novo sensor pode realizar detecção sem etiqueta de S100A4, uma proteína associada ao desenvolvimento de tumor humano, em níveis que são clinicamente relevantes.
"O biossensor pode permitir dispositivos de ponto de atendimento que rastreiam simultaneamente várias doenças, "disse Garcia-Blanco." Sua operação é simples e não requer tratamentos complicados de amostra ou operação do sensor, tornando-o um excelente candidato para aplicações clínicas. "
Os pesquisadores dizem que o sensor tem potencial para aplicações não biomédicas, também. Por exemplo, também pode ser usado para detectar diferentes tipos de gases ou misturas líquidas.
Criação de um sensor de alta sensibilidade
O novo sensor baseado em chip detecta a presença de moléculas específicas iluminando a amostra com luz de um laser de microdisco no chip. Quando a luz interage com o biomarcador de interesse da cor, ou frequência, desta luz laser muda de uma forma detectável.
Para realizar a detecção em amostras de urina, os pesquisadores tiveram que descobrir como integrar um laser que pudesse operar em um ambiente líquido. Eles se voltaram para o óxido de alumínio, material fotônico, porque quando dopado com íons de itérbio, ele pode ser usado para fabricar um laser que emite em uma faixa de comprimento de onda fora da banda de absorção de luz da água, enquanto ainda permite a detecção precisa dos biomarcadores.
"Embora já existam sensores baseados em mudanças de frequência de monitoramento de lasers, eles geralmente vêm em geometrias que não são facilmente integradas em pequenas, chips fotônicos descartáveis, "disse Garcia-Blanco." O óxido de alumínio pode ser facilmente fabricado monoliticamente no chip e é compatível com os procedimentos de fabricação eletrônica padrão. Isso significa que os sensores podem ser produzidos em um grande, escala industrial."
Usar um laser de microdisco em vez dos ressonadores de anel sem laser usados em outros sensores semelhantes abre a porta para uma sensibilidade sem precedentes. A sensibilidade vem do fato de que a largura de linha do laser é muito mais estreita do que as ressonâncias de ressonadores de anel passivos. Uma vez que outras fontes de ruído, como ruído térmico, são eliminados, este método permitirá a detecção de mudanças de frequência muito pequenas de biomarcadores em concentrações muito baixas.
Detectando concentrações mínimas de biomarcadores
Depois de desenvolver e aplicar um tratamento de superfície que captura os biomarcadores de interesse em líquidos complexos, como a urina, os pesquisadores testaram o novo sensor com urina sintética contendo níveis conhecidos de biomarcadores. Eles foram capazes de detectar S100A4 em concentrações tão baixas quanto 300 picomolar.
"A detecção nesta faixa de concentração mostra o potencial da plataforma para biossensorio livre de rótulos, "disse Garcia-Blanco." Além disso, o módulo de detecção pode ser potencialmente muito simples usando a tecnologia desenvolvida, levando-o um passo mais perto da aplicação final fora do laboratório. "
Os pesquisadores estão trabalhando para incorporar todas as fontes ópticas relevantes e componentes de geração de sinal no chip para tornar o dispositivo ainda mais simples de operar. Eles também desejam desenvolver vários revestimentos que possam permitir a detecção paralela de uma grande variedade de biomarcadores.
