p (Phys.org) - Ao longo da última metade do século, biossensores abriram uma nova janela para o mundo físico ao mesmo tempo em que revolucionavam grande parte da sociedade moderna. p Ao utilizar um sistema eletrônico ou óptico, biossensores detectam e interagem com os componentes de materiais biológicos, tornando possível analisar o DNA, medir o conteúdo de glicose no sangue, detectar biotoxinas na água e na atmosfera e muito mais.

p As vendas de biossensores atingiram US $ 8,5 bilhões em todo o mundo em 2012 e devem dobrar para US $ 16,8 em 2018. Os Estados Unidos, com $ 2,6 bilhões em vendas em 2012, lidera o mercado mundial.

p Yongkang Gao passou grande parte dos últimos três anos usando nanotecnologia para melhorar a velocidade, eficiência e sensibilidade dos biossensores enquanto diminuem drasticamente seu tamanho e custo de operação.

p Seu objetivo é transformar os biossensores de ressonância de plasmon de superfície relativamente volumosa (SPR) de hoje, que ocupam a maior parte de uma área de trabalho, em biossensores nanoplasmáticos que podem ser mantidos na mão e podem realizar centenas de testes - médicos, ambiental ou outro - de cada vez.

p Gao, que completou seu Ph.D. em engenharia elétrica em janeiro e agora é pesquisador da Bell labs em New Jersey, é o autor principal de um artigo que uma equipe de pesquisadores da engenharia de Lehigh publicou recentemente na revista Lab on a Chip . O grupo também contribuiu com a imagem de capa da edição.

p Intitulado "Matrizes de sensores interferométricos plasmáticos para detecção biomolecular sem rótulo de alto desempenho, "o artigo foi coautor de Zheming Xin, Beibei Zeng, Qiaoqiang Gan, Xuanhong Cheng e Filbert J. Bartoli. Xin e Zeng são Ph.D. candidatos. Gan, que obteve seu Ph.D. de Lehigh em 2010, é professor assistente de engenharia elétrica na State University of New York em Buffalo. Bartoli, o Presidente Chandler Weaver de Engenharia Elétrica e de Computação, é o Ph.D. de Gao. consultor e lidera o projeto. Cheng, o P.C. Rossin, professor assistente no departamento de ciência e engenharia de materiais, é diretor do Laboratório de Micro e Nanotecnologia para Diagnóstico e Biologia da Lehigh.

p Melhorando o "padrão ouro"

p Os cientistas fizeram um grande progresso nas últimas décadas com biossensores marcados que usam um receptor ligado a uma molécula fluorescente para direcionar biomoléculas. Quando a ligação ocorre entre as moléculas alvo e receptor, o rótulo fluorescente emite um sinal de luz cuja cor fornece informações sobre as identidades das duas moléculas que estão se ligando e a força da ligação.

p Mais recentemente, cientistas desenvolveram uma abordagem de detecção sem rótulo, que mede uma mudança simples no sinal óptico ou elétrico para determinar quais moléculas se ligaram e quão fortes são suas ligações. Sem o uso de processos de rotulagem demorados e caros, pesquisadores demonstraram um biossensor sem rótulo que é simples e rápido, e isso elimina qualquer interferência indesejada entre rótulos e biomoléculas.

p Tecnologia SPR, que tem sido usado comercialmente por mais de 20 anos, representa o atual "padrão ouro" para biosensorio sem rótulo, diz Gao. Os biossensores SPR podem monitorar a ligação biomolecular em tempo real, fornecendo informações sobre a cinética de ligação, afinidade, especificidade e concentração, tudo sem o uso de rotulagem. Os sensores são amplamente usados ​​em testes de drogas, diagnósticos, proteômica (o estudo das proteínas em organismos vivos) e imunologia.

p Mas o projeto de acoplamento de prisma usado na maioria dos sistemas de biossensores SPR, diz Bartoli, requer instrumentação pesada, complexo e caro, limitando seu uso principalmente a aplicações de pesquisa de laboratório.

p Para superar essas limitações, pesquisadores estão se voltando para a nanotecnologia. Avanços nas técnicas de fabricação, diz Gao, tornaram possível construir, em um chip, nanoestruturas que têm dimensões semelhantes às das ondas de luz visível, ou cerca de 400 a 700 nanômetros (1 nm é um bilionésimo de um metro). Mas embora esses dispositivos em nanoescala sejam menores, mais simples e mais baratos do que os biossensores SPR convencionais, até agora, eles são de uma a duas ordens de magnitude menos sensíveis.

p Ao combinar duas novas abordagens - arquiteturas nanoplasmônicas e interferometria - o grupo Lehigh conseguiu manter a simplicidade dos biossensores em nanoescala, melhorando a resolução do sensor para níveis quase tão sensíveis quanto aqueles alcançados por sistemas SPR comerciais.

p As arquiteturas plasmônicas são baseadas em polaritons de plasmon de superfície (SPPs), um tipo de onda eletromagnética que é gerada quando um feixe de luz se acopla a uma onda oscilante de elétrons na superfície de um metal. A interferometria é uma técnica experimental que usa a interferência de ondas de luz para produzir informações sobre as alterações do índice de refração, irregularidades superficiais e outros fenômenos envolvendo a interação da luz e da matéria.

p "A interação ressonante de ondas de luz com elétrons oscilantes, "diz Gao, "faz com que as ondas fiquem altamente confinadas a uma superfície de metal. Isso cria um forte campo óptico dentro de um volume em nanoescala, que é especialmente adequado para detecção biomolecular. SPPs foram descobertos há meio século, mas só recentemente, com o amadurecimento das técnicas de nanofabricação, que os engenheiros foram capazes de explorar as nanoestruturas plasmônicas para controlar livremente as interações entre as ondas de luz e os elétrons. "

p 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.

p 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.

p "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."

p 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. Lá, the SPPs interfere with the light beam being transmitted through the hole.

p "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."

p "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."

p 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.

p Além disso, 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.

p "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.

p "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."