Метаповерхностный биосенсор считывает сигналы молекул по изображениям с камеры

Что если определить болезнь можно было бы с помощью крошечного чипа размером с монету и обычной камеры — без громоздкого лабораторного оборудования? Исследовательская группа профессора Чунсука Ро из Университета науки и технологий Пхохана (POSTECH, Республика Корея) сделала шаг к этому будущему. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Команда разработала компактный биосенсор на основе метаповерхности — наноструктурированного оптического устройства — способный точно обнаруживать биомолекулы без дорогостоящего спектрометра.

Проблема: стандартные биосенсоры зависят от спектрометра

Стандартный принцип большинства оптических биосенсоров сегодня — поверхностный плазмонный резонанс. Когда молекула присоединяется к поверхности сенсора, показатель преломления вблизи поверхности меняется, что смещает длину волны резонансного поглощения света. Задача прибора — точно измерить это смещение.

Проблема: для такого измерения нужен спектрометр — прецизионный и дорогостоящий оптический прибор. Именно он не даёт оптическим биосенсорам стать портативными и дешёвыми для применения «на месте» — в клинике у постели пациента, в полевых условиях или в точках контроля качества пищевых продуктов.

Решение: записать спектр в пространство

Идея команды POSTECH элегантна: вместо того чтобы измерять сдвиг длины волны во времени, «закодировать» разные длины волн в разные точки пространства на одном чипе.

Исследователи создали метаповерхность с непрерывным геометрическим градиентом: форма наноструктур меняется вдоль чипа, и разные участки резонируют на разных длинах волн. При освещении одночастотным лазером на снимке появляется тёмная линия. Связывание биомолекул меняет показатель преломления и сдвигает эту линию; её перемещение позволяет измерить молекулярный сигнал.

Таким образом, небольшой спектральный сдвиг преобразуется в пространственное перемещение, которое можно зарегистрировать камерой без спектрометра.

Технические характеристики

Устройство демонстрирует впечатляющие показатели:

• спектральный шаг 0,1 нм в окне 30 нм при размере рабочей площадки всего 300 мкм;
• эксперименты показали обнаружение белков и ДНК при концентрациях в сотни пикомоль на литр;
• сенсор также различал специфические последовательности ДНК.

Для каких задач это подходит

Платформа работает без меток — то есть не требует химической «пометки» исследуемых молекул флуоресцентными или радиоактивными агентами. Это снижает стоимость анализа и упрощает пробоподготовку.

По оценке авторов, у разработки «высокий потенциал для развития в направлении компактной, недорогой технологии биосенсинга для диагностики у постели пациента». Параллельные разработки других групп — в частности, системы на основе модуляции добротности Q-резонансного рассеяния — также движутся в сторону устранения спектрометра из цепочки измерения. Вместе они формируют новое направление: диагностика на основе изображений, а не спектральных данных.

Читайте также: Одна вспышка красного света проверила состояние биопечатных тканей.

До портативного диагностического устройства ещё предстоит пройти путь масштабирования и клинической валидации. Тем не менее принцип доказан: молекулярный сигнал можно прочитать с изображения.