Lumière de pompe couplée au dispositif produite par laser dans un résonateur à micro-anneau. La surface du résonateur contient des sondes (molécules d'ancrage rouges sur l'anneau) qui capturent les analytes d'intérêt. La lumière laser dans l'anneau s'étend dans le fluide. Lorsque les analytes d'intérêt (triangles bleus) se fixent aux sondes de capture, ceci est détecté par le champ à l'extérieur du laser à micro-anneau, décaler la fréquence de l'émission laser. Ce décalage peut être mesuré très précisément permettant la détection de quantités infimes d'analytes s'écoulant sur le capteur d'une manière "spécifique" (c'est-à-dire, les particules roses ne se lient pas à la couche de capture et ne sont donc pas détectées). Dans la figure, le guide d'onde est vert (couleur réelle produite par conversion ascendante des dopants qui induisent l'émission laser) et un canal microfluidique peut être vu dans lequel différentes particules circulent de gauche à droite. Crédit :Rick Seubers, Groupe Sciences optiques, Université de Twente
Pour la première fois, les chercheurs ont utilisé un capteur à puce avec un laser intégré pour détecter de très faibles niveaux d'un biomarqueur de protéine cancéreuse dans un échantillon d'urine. La nouvelle technologie est plus sensible que d'autres conceptions et pourrait conduire à des moyens non invasifs et peu coûteux de détecter des molécules qui indiquent la présence ou la progression d'une maladie.
« Les méthodes actuelles de mesure des niveaux de biomarqueurs sont coûteuses et sophistiquées, nécessitant des biopsies et analyses dans des laboratoires spécialisés, " a déclaré Sonia M. Garcia-Blanco, chef de l'équipe de recherche de l'Université de Twente aux Pays-Bas. " La nouvelle technologie que nous avons développée ouvre la voie à une détection plus rapide et ultra-sensible de panels de biomarqueurs qui permettront aux médecins de prendre des décisions opportunes qui améliorent diagnostic et traitement personnalisés de conditions médicales, y compris le cancer.
Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , un groupe multi-institutionnel de chercheurs financé par le projet européen H2020 GLAM (Glass multiplexed biosensor), montre que le nouveau capteur peut effectuer une détection sans étiquette de S100A4, une protéine associée au développement de tumeurs humaines, à des niveaux cliniquement pertinents.
"Le biocapteur pourrait activer des dispositifs de point de service qui dépistent simultanément diverses maladies, " a déclaré Garcia-Blanco. " Son fonctionnement est simple et ne nécessite pas de traitements d'échantillons compliqués ni d'opération de capteur, ce qui en fait un excellent candidat pour les applications cliniques."
Les chercheurs disent que le capteur a un potentiel pour des applications non biomédicales, également. Par exemple, il peut également être utilisé pour détecter différents types de gaz ou de mélanges liquides.
Création d'un capteur haute sensibilité
Le nouveau capteur à puce détecte la présence de molécules spécifiques en éclairant l'échantillon avec la lumière d'un laser à microdisque sur puce. Lorsque la lumière interagit avec le biomarqueur d'intérêt la couleur, ou fréquence, de cette lumière laser se déplace de manière détectable.
Pour effectuer la détection dans les échantillons d'urine, les chercheurs ont dû trouver comment intégrer un laser qui pourrait fonctionner dans un environnement liquide. Ils se sont tournés vers le matériau photonique oxyde d'aluminium, car lorsqu'il est dopé aux ions ytterbium, il peut être utilisé pour fabriquer un laser qui émet dans une gamme de longueurs d'onde en dehors de la bande d'absorption lumineuse de l'eau tout en permettant la détection précise des biomarqueurs.
« Bien que des capteurs basés sur la surveillance des décalages de fréquence des lasers existent déjà, ils se présentent souvent dans des géométries qui ne s'intègrent pas facilement sur des petites, puces photoniques jetables, " a déclaré Garcia-Blanco. " L'oxyde d'aluminium peut facilement être fabriqué de manière monolithique sur puce et est compatible avec les procédures de fabrication électronique standard. Cela signifie que les capteurs peuvent être produits sur une grande surface, échelle industrielle."
L'utilisation d'un laser à microdisque plutôt que des résonateurs annulaires non laser utilisés dans d'autres capteurs similaires ouvre la porte à une sensibilité sans précédent. La sensibilité vient du fait que la largeur de raie laser est beaucoup plus étroite que les résonances des résonateurs en anneau passifs. Une fois que d'autres sources de bruit, comme le bruit thermique, sont éliminés, cette méthode permettra la détection de très petits décalages de fréquence à partir de biomarqueurs à de très faibles concentrations.
Détection de concentrations infimes de biomarqueurs
Après avoir développé et appliqué un traitement de surface qui capture les biomarqueurs d'intérêt dans des liquides complexes tels que l'urine, les chercheurs ont testé le nouveau capteur avec de l'urine synthétique contenant des niveaux connus de biomarqueurs. Ils ont pu détecter S100A4 à des concentrations aussi faibles que 300 picomolaires.
"La détection dans cette plage de concentration montre le potentiel de la plate-forme pour la biodétection sans marquage, " dit Garcia-Blanco. " De plus, le module de détection peut être potentiellement rendu très simple grâce à la technologie développée, le rapprochant un peu plus de l'application finale en dehors du laboratoire."
Les chercheurs travaillent à incorporer toutes les sources optiques pertinentes et les composants de génération de signaux sur la puce pour rendre l'appareil encore plus simple à utiliser. Ils souhaitent également développer divers revêtements qui pourraient permettre la détection parallèle d'une grande variété de biomarqueurs.
