Les chercheurs de Princeton ont adapté une technologie de puce de silicium similaire à celle trouvée dans les ordinateurs personnels et les téléphones portables pour fonctionner comme un biocapteur. La technologie utilise de minuscules couches métalliques intégrées dans une micropuce pour éliminer toute instrumentation optique complexe et encombrante utilisée dans les laboratoires de diagnostic. Crédits :Lingyu Hong
Identifier l'infection virale d'un patient ou diagnostiquer un trouble sanguin nécessite généralement un laboratoire et des techniciens qualifiés. Mais des chercheurs de l'Université de Princeton ont mis au point une nouvelle technologie qui contribue grandement à remplacer le laboratoire par une seule micropuce.
Dans une étape importante vers la réalisation de diagnostics médicaux à l'aide d'appareils portables, les chercheurs ont adapté une technologie de puce de silicium similaire à celle trouvée dans les ordinateurs personnels et les téléphones portables pour fonctionner comme un biocapteur. La technologie utilise de minuscules couches métalliques intégrées dans une micropuce pour éliminer toute instrumentation optique complexe et encombrante utilisée dans les laboratoires de diagnostic. Par conséquent, le nouveau système est presque aussi petit qu'un grain de sel, et beaucoup moins coûteux à fabriquer que les systèmes de diagnostic actuels.
"L'idée clé est de permettre des systèmes optiques complexes dans des puces modernes, " a déclaré Kaushik Sengupta, un professeur assistant de génie électrique et l'un des chefs de file du projet. « Tous les smartphones sont équipés d'un appareil photo d'un million de pixels. Comment en faire un appareil permettant des diagnostics de qualité laboratoire ? »
Un biocapteur commercial basé sur la fluorescence porte généralement un ensemble de composants optiques classiques comprenant plusieurs ensembles de filtres, lentilles et grilles. Plus le système est sensible, plus la configuration est chère et volumineuse.
« Nous montrons que ces systèmes complexes de biocapteurs optiques peuvent également être réalisés dans la même technologie sans aucun changement dans la fabrication de la micropuce, " a déclaré Sengupta.
Les chercheurs ont découvert que de minuscules couches métalliques déjà intégrées dans les micropuces modernes peuvent être relativement facilement adaptées pour tirer parti du comportement inhabituel de la lumière lors de l'interaction avec des structures plus petites qu'une seule longueur d'onde de lumière. Exploiter la lumière de cette manière permet de détecter des milliers de substances biologiques, de l'ADN bactérien aux hormones. Et parce que les puces modernes sont déjà conçues pour être extrêmement petites, ces structures peuvent être réalisées selon des techniques de fabrication standards, dit Sengupta.
Bien que plus de travail soit nécessaire, les chercheurs espèrent que la technologie conduira à des systèmes de diagnostic contenus dans une pilule ou déployés sur un smartphone.
"Nous montrons pour la première fois que ce niveau de manipulation du champ optique est possible dans une puce de silicium. En éliminant toutes les optiques classiques, le système est maintenant suffisamment petit pour que vous puissiez commencer à penser à le mettre dans une pilule, " a déclaré Sengupta. " Vous pourriez commencer à penser aux diagnostics à l'intérieur du corps d'une manière à laquelle vous ne pouviez pas penser auparavant. "
De gauche à droite :Kaushik Sengupta, professeur assistant en génie électrique, et Haw Yang, professeur de chimie, ont développé une technologie de capteurs utilisant des micropuces standard. Crédit :Frank Wojciechowski
Dans deux articles, le premier publié le 12 septembre, 2018, dans la revue ACS Photonique et le deuxième le 1er novembre 2018, dans Optique Biomédicale Express , les chercheurs ont rapporté avoir développé un capteur capable de détecter des molécules telles que l'ADN et les protéines dans des échantillons aussi petits qu'un microlitre avec des sensibilités comparables à celles des instruments commerciaux en laboratoire de diagnostic. (Il y a environ 50 microlitres dans une goutte d'eau.)
La nouvelle puce de capteur, comme une configuration de laboratoire classique, détecte les molécules ciblées en utilisant des anticorps chimiques conçus pour réagir en présence d'une molécule spécifique. Les anticorps sont modifiés pour générer de la lumière à une longueur d'onde spécifique (fluorescence) lorsqu'ils sont exposés à la cible.
Dans un laboratoire standard, les anticorps sont placés dans de petits puits sur une plaque de test de la taille d'une carte à jouer. Pour rendre l'assemblage suffisamment petit pour tenir sur une puce mesurant 4 mm de côté, Sengupta et son groupe ont travaillé avec le groupe dirigé par Haw Yang, un professeur de chimie, développer de nouvelles techniques pour préparer et distribuer les anticorps. Travaillant en équipe entre deux laboratoires à Princeton, les chercheurs ont pu concevoir une plaque avec 96 capteurs d'anticorps suffisamment petite pour tenir sur la puce.
Comme dans un laboratoire standard, la petite plaque est exposée à un échantillon d'essai, généralement un liquide. Les anticorps qui entrent en contact avec leur molécule cible spécifique brilleront d'un rouge pâle lorsqu'ils sont exposés à la lumière ultraviolette. Malheureusement, la lueur rouge est incroyablement faible par rapport à la lumière ultraviolette utilisée pour la déclencher. Cela représentait l'un des obstacles les plus importants pour les chercheurs.
"Le rapport de la lumière est le tueur, " a déclaré Sengupta. " Nous projetons entre 10 et 100 millions de photons sur la cible pour chaque photon que nous récupérons. "
Une grande partie de l'espace occupé dans un détecteur de table standard est constituée d'optiques et de lentilles utilisées pour filtrer cette minuscule lueur rouge afin de la distinguer du lavage de la lumière de déclenchement. La nouvelle technologie permet aux chercheurs de supprimer ce système en utilisant de minuscules couches métalliques intégrées dans la micropuce pour traiter la lumière.
"Lorsque vous combinez ces optiques massivement évolutives avec un milliard de transistors dans une même puce, un tout nouvel ensemble de possibilités s'ouvre. Pour rendre les choses si petites, nous devions les faire d'une manière fondamentalement différente, " a déclaré Sengupta.
Parce que les minuscules structures sont construites dans la puce de silicium, les chercheurs ont déclaré que le système peut être produit en série et ne nécessite pas d'assemblage détaillé en laboratoire. Sengupta a déclaré que la capacité de fabriquer rapidement et à moindre coût l'appareil sera essentielle à la production éventuelle d'un nouvel équipement de détection.
« Une fois que nous aurons rendu les diagnostics moins chers, " dit Sengupta, « nous pouvons permettre le diagnostic dans le monde en développement. Et ce ne sont pas seulement des diagnostics. Ce que nous avons proposé ici est juste un faible coût, petit capteur fluorescent, et vous pouvez utiliser la détection fluorescente dans de nombreuses choses différentes :pour la surveillance de la qualité des aliments et de l'eau, surveillance de l'environnement, et applications industrielles."
