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研究人员首次使用芯片传感器和集成激光检测极少尿液样本条件下的癌症蛋白生物标记物。这项新技术比其他设计更为灵敏,可实现非侵入性和廉价的技术方法来检测指示疾病存在或进展的生物分子。

上图为在微环谐振器中与产生激光的装置耦合的泵浦光的作用示意图。谐振器的表面装有捕获感兴趣分析物的探针(环上的红色锚定分子)环中的激光射入流体。当目标分析物(蓝色三角形)附着在捕获探针上时,由微环激光外部的场感应,从而改变激光发射的频率。这种偏移可以非常精确地测量,并允许以“特定”方式检测流过传感器的微量分析物(即,粉红色颗粒不与捕获层结合,因此不被检测到)。在图中,波导是绿色的(由诱导激光发射的掺杂剂上转换产生的真实颜色),可以看到一个微流通道,其中不同的粒子从左到右流动。

目前测量生物标志物水平的方法昂贵且杂,需要在专门实验室进行活检和分析。我们开发的新技术为更快、超灵敏地检测生物标记物面板铺平了道路,这将使医生能够及时作出决定,改进包括癌症在内的医疗条件的个性化诊断和治疗。

 

在光学学会(OSA)期刊Optics Letters上,一个由H2020欧洲项目GLAM(玻璃合生物传感器)资助的多机构研究小组显示,这种新传感器可以在临床相关水平上对S100A4(一种与人类肿瘤发展相关的蛋白质)进行无标记检测。

 

这种生物传感器可以实现同时筛查各种疾病的看护点设备。它的操作简单,不需要杂的样本处理或传感器操作,是临床应用的理想选择。这种传感器还具有非生物医学应用的潜力。例如,它还可用于检测不同类型的气体或液体混合物。

 

创建高灵敏度传感器

 

新的基于芯片的传感器通过用芯片上的微盘激光器发出的光射样品来检测特定分子的存在。当光与感兴趣的生物标记物相互作用时,激光的颜色或频率以可检测的方式移动。

 

为了在尿液样本中进行检测,研究人员必须找出如何整合一种可以在液体环境中工作的激光。他们转向了光子材料氧化铝,因为当掺杂镱离子时,它可以用来造在水的光吸收带之外的波长范围内发射的激光,同时仍然能够精确地检测生物标记物。

 

“虽然基于激光的频移监测的传感器已经存在,但它们通常是不容易集成在小的一次性光子芯片上的,”Garcia Blanco说。“氧化铝可以很容易地单片造,并与标准的电子造程序兼容。这意味着传感器可以大规模工业化生产。”

 

使用微盘激光器,而不是其他类似传感器中使用的非激光环形谐振器,开启了前所未有的灵敏度之门。这种灵敏度来自于这样一个事实:激光的线宽比被动环形腔的共振要窄得多。一旦其他噪声源,如热噪声,被消除,这种方法将允许从非常低浓度的生物标记物中检测非常小的频率偏移。

 

检测微小生物标志物浓度

 

研究人员开发并应用了一种表面处理技术,可以捕捉到尿液等杂液体中的生物标记物,然后用含有已知生物标记物水平的合成尿液对这种新型传感器进行测试。他们能够在低至300微微摩尔的浓度下检测到S100A4。

 

在这个浓度范围内的检测显示了无标签生物传感平台的潜力。”此外,利用所开发的技术,检测模块可能变得非常简单,使其更近实验室外的最终应用。

 

研究人员正在努力将所有相关的光源和信号产生组件整合到芯片上,使设备操作更加简单。他们还希望开发出各种特异性涂层,能够并行检测多种生物标志物。

 

原文来源:https://phys.org/news/2019-12-chip-based-optical-sensor-cancer-biomarker.html

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