Projetar biossensores sensíveis e de uso único para diagnóstico precoce continua sendo um grande desafio. Cientistas na China inventaram lasers submonocamadas em fibras ópticas como biossensores ultrassensíveis e descartáveis.



Foi obtida uma melhoria de seis ordens de magnitude no limite inferior de detecção (LOD) quando comparado aos lasers de monocamada saturados. Eles demonstraram um imunoensaio ultrassensível para um biomarcador da doença de Parkinson, a alfa-sinucleína (α-syn), com um LOD inferior de 0,32 pM no soro.

A detecção precoce de doenças como o cancro e a demência, antes que estas manifestem sintomas graves e irreversíveis, é de considerável importância para a saúde pública e pode ajudar a reduzir a morbilidade e a mortalidade. Na fase inicial de uma doença, é difícil estimar com precisão as concentrações extremamente baixas de biomarcadores.

As microcavidades ópticas evoluíram como uma plataforma poderosa para amplificar sinais ópticos com forte feedback de cavidade nas últimas duas décadas e têm sido amplamente utilizadas para análises biológicas. A forte dependência de procedimentos delicados de fabricação e o requisito essencial de acoplamento, no entanto, é altamente indesejável para biossensores de uso único.

Em um novo artigo publicado em Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas, liderada pelo Professor Yuan Gong do Laboratório Principal de Sensoriamento e Comunicações de Fibra Óptica (Ministério da Educação da China), Escola de Engenharia de Informação e Comunicação, Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica da China, Chengdu, China, e co -trabalhadores desenvolveram biolasers de submonocamada em fibra óptica como biossensores ultrassensíveis e descartáveis.

Eles realizaram a produção em massa de biolasers submonocamadas a um custo insignificante, usando microcavidades de fibra óptica que foram distribuídas por um comprimento extraordinário de 10 km e tinham fatores Q ultra-altos de 10 ⁶ . Em contraste marcante com as microcavidades passivas, o bombeamento e a detecção de biolasers submonocamadas podem ser convenientemente realizados por óptica de espaço livre, o que elimina a dependência do acoplamento crítico de guia de ondas e, mais importante, permite o desenvolvimento de biossensores de uso único com sensibilidade ultra-alta.

Mais surpreendentemente, ao empurrar as moléculas de ganho para baixo até a densidade limite, eles demonstraram que o biolaser de submonocamada mostra uma melhoria de seis ordens de magnitude no limite inferior de detecção (LOD) em comparação com o biolaser de monocamada.

A equipe também demonstrou que seu biolaser submonocamada pode ser potencialmente empregado no diagnóstico clínico. Eles empregaram o biolaser de submonocamada para detectar um biomarcador da doença de Parkinson (DP) no soro e obtiveram um LOD mais baixo de 0,32 pM. Este resultado é aproximadamente três ordens de grandeza inferior à concentração de α-syn no soro de pacientes com doença de Parkinson. O método proposto oferece grande potencial no diagnóstico clínico de alto rendimento com sensibilidade máxima.

Os cientistas resumem o mecanismo do biolaser de submonocamada, dizendo:"Descobrimos que o biolaser de submonocamada com ganho óptico ligeiramente acima do limiar de laser tem a maior sensibilidade. Este fenômeno pode ser explicado pela contribuição das moléculas de ganho na ação do laser.

"Por exemplo, quando 10.000 moléculas de ganho participam do laser, a contribuição média de cada molécula é 1/10.000. Assim que diminuirmos as moléculas de ganho para 100, a contribuição média de cada molécula aumentará para 1/100. A ligação de um analito molécula na fibra óptica aumentará mais um sítio de ligação para uma molécula de ganho. Portanto, uma sensibilidade maior pode ser esperada com [um] biolaser com menos moléculas de ganho.

"Escolhemos a fibra óptica comercial como [uma] microcavidade para demonstrar esta hipótese. A geometria e as propriedades da superfície da fibra óptica foram bem controladas durante o processo de trefilação da fibra. A fibra óptica pode ser considerada como microcavidades distribuídas com desempenho altamente reprodutível.

"Enquanto isso, o preço da fibra óptica é muito baixo, tornando possíveis sensores descartáveis. Por exemplo, o preço da fibra óptica SMF-28e usada em nosso experimento é de cerca de US$ 0,5 por metro. O laser submonocamada é fabricado com um segmento de fibra de cerca de 2 cm longo, correspondendo a um custo negligenciável de cerca de US$ 0,01.

"O biolaser submonocamada é uma plataforma de detecção geral, que pode ser empregada para detectar tipos de biomarcadores. Os biossensores baseados em laser de uso único com sensibilidade ultra-alta podem permitir o diagnóstico precoce e econômico das principais doenças."

Mais informações: Chaoyang Gong et al, Biolasers de submonocamada para detecção ultrassensível de biomarcadores, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01335-8
Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações

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