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Miniaturisierter optischer Chip kann einzelne Biomoleküle für die personalisierte Medizin identifizieren

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Forscher der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne haben einen optischen Chip entwickelt, der einzelne Biomoleküle in kleinen Probenmengen mit einer gewöhnlichen Kamera und Meta-Oberflächen identifizieren kann, einer neuen Technologie in der Photonik.

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Die Forscher hoffen, dass ihre Technologie den Weg für Diagnose-Chips ebnen könnte, die Spuren von Krankheitsbiomarkern im Blut oder Speichel identifizieren können. Diese Technologie kann es den Nutzern ermöglichen, ihren Gesundheitszustand zu Hause bequem zu beurteilen und umfassende Vorsorgeuntersuchungen in der Klinik zu erhalten.

Die Vorrichtung besteht aus einem ultradünnen optischen Chip, der über Meta-Oberflächen einzelne Moleküle identifiziert. Die Oberflächen sind Platten, die mit Millionen von Nanostrukturen bestückt sind, die in bestimmten Mustern angeordnet sind. Die Strukturen "drücken" Licht in kleine Bereiche, was zu "optischen Hotspots" führt.

Wenn der Chip beleuchtet wird, ändert das Licht an den Hotspots die Wellenlänge, wenn es dort auf ein Molekül trifft. Diese Änderung der Wellenlänge sagt den Forschern, wer das Molekül ist. Sobald eine Probe in den Chip geladen wurde, verwenden die Forscher eine Standard-CMOS-Kamera und verschiedenfarbige Lichter, um Bilder unter verschiedenen Bedingungen aufzunehmen. Anschließend verwenden sie Bildanalysesoftware, um die resultierenden Bilder zu bewerten und die Anzahl der spezifischen Moleküle in einer Probe zu zählen.

"Wir verwenden dann intelligente datenwissenschaftliche Werkzeuge, um die Millionen von CMOS-Pixeln zu analysieren, die durch diesen Prozess erhalten wurden, und Trends zu identifizieren", sagt Filiz Yesilkoy, ein an der Studie beteiligter Forscher. "Wir haben gezeigt, dass wir nicht nur einzelne Biomoleküle an den Hotspots erkennen und abbilden können, sondern sogar ein einziges Graphenblatt, das nur ein Atom dick ist."

Da das Gerät so kleine Mengen spezifischer Biomoleküle erkennen kann, könnte es ein Frühwarnsystem für Krankheiten bieten. "Optische Sensoren könnten eine wichtige Rolle bei der Bewältigung zukünftiger Herausforderungen spielen - insbesondere in der personalisierten Medizin", sagt Hatice Altug, eine weitere an der Studie beteiligte Forscherin.

Studium der Naturphotonik: Ultrasensitive hyperspektrale Bildgebung und Biodetektion durch dielektrische Meta-Oberflächen....