Concevoir des biocapteurs sensibles et à usage unique pour un diagnostic précoce reste un défi majeur. Des scientifiques chinois ont inventé des lasers submonocouches sur fibres optiques comme biocapteurs ultrasensibles et jetables.
Une amélioration de six ordres de grandeur de la limite inférieure de détection (LOD) par rapport aux lasers monocouches saturés a été obtenue. Ils ont démontré un test immunologique ultrasensible pour un biomarqueur de la maladie de Parkinson, l'alpha-synucléine (α-syn), avec une LOD inférieure de 0,32 pM dans le sérum.
La détection précoce de maladies telles que le cancer et la démence, avant qu’elles ne manifestent des symptômes graves et irréversibles, revêt une importance considérable en matière de santé publique et peut contribuer à réduire la morbidité et la mortalité. Au stade précoce d'une maladie, il est difficile d'estimer avec précision les concentrations extrêmement faibles de biomarqueurs.
Les microcavités optiques sont devenues une plate-forme puissante pour amplifier les signaux optiques avec une forte rétroaction de cavité au cours des deux dernières décennies et ont été largement utilisées pour l'analyse biologique. La forte dépendance à l'égard de procédures de fabrication délicates et l'exigence essentielle de couplage sont cependant hautement indésirables pour les biocapteurs à usage unique.
Dans un nouvel article publié dans Light :Science &Applications , une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Yuan Gong du Laboratoire clé de détection et de communication par fibre optique (ministère de l'Éducation de Chine), École d'ingénierie de l'information et de la communication, Université des sciences et technologies électroniques de Chine, Chengdu, Chine, et co -des chercheurs ont développé des biolasers sous-monocouches sur fibre optique comme biocapteurs ultrasensibles et jetables.
Ils ont réalisé la production en série de biolasers sous-monocouches à un coût négligeable en utilisant des microcavités à fibre optique réparties sur une longueur extraordinaire de 10 km et présentant un facteur Q ultra élevé de 10 6 . . Contrairement aux microcavités passives, le pompage et la détection des biolasers sous-monocouches peuvent être facilement effectués par des optiques en espace libre, ce qui élimine la dépendance au couplage critique des guides d'ondes et, plus important encore, permet le développement de biocapteurs à usage unique avec une sensibilité ultra élevée. P>
Plus surprenant, en poussant les molécules de gain jusqu'à la densité seuil, ils ont démontré que le biolaser sous-monocouche présente une amélioration de six ordres de grandeur dans la limite inférieure de détection (LOD) par rapport au biolaser monocouche.
L'équipe a également démontré que leur biolaser sous-monocouche peut potentiellement être utilisé dans le diagnostic clinique. Ils ont utilisé le biolaser sous-monocouche pour détecter un biomarqueur de la maladie de Parkinson (MP) dans le sérum et ont obtenu une LOD inférieure de 0,32 pM. Ce résultat est environ trois ordres de grandeur inférieur à la concentration d'α-syn dans le sérum des patients atteints de la maladie de Parkinson. La méthode proposée offre un grand potentiel en matière de diagnostic clinique à haut débit avec une sensibilité ultime.
Les scientifiques résument le mécanisme du biolaser sous-monocouche en disant :"Nous avons constaté que le biolaser sous-monocouche avec un gain optique légèrement supérieur au seuil laser a la sensibilité la plus élevée. Ce phénomène peut s'expliquer par la contribution des molécules de gain dans l'action laser.
"Par exemple, lorsque 10 000 molécules à gain participent à l'effet laser, la contribution moyenne de chaque molécule est de 1/10 000. Une fois que nous avons réduit le nombre de molécules à gain à 100, la contribution moyenne de chaque molécule augmentera à 1/100. La liaison d'un analyte La molécule sur la fibre optique augmentera un site de liaison supplémentaire pour une molécule à gain. Par conséquent, une sensibilité plus élevée peut être attendue avec [un] biolaser avec moins de molécules à gain.
"Nous avons choisi la fibre optique commerciale comme microcavité pour démontrer cette hypothèse. La géométrie et les propriétés de surface de la fibre optique ont été bien contrôlées pendant le processus de fibrage. La fibre optique peut être considérée comme des microcavités distribuées avec des performances hautement reproductibles.
" Parallèlement, le prix de la fibre optique est très bas, ce qui rend possibles les capteurs jetables. Par exemple, le prix de la fibre optique SMF-28e utilisée dans notre expérience est d'environ 0,5 $ par mètre. Le laser submonocouche est fabriqué avec un segment de fibre d'environ 2 cm. long, correspondant à un coût négligeable d'environ 0,01$.
"Le biolaser sous-monocouche est une plate-forme de détection générale, qui peut être utilisée pour détecter des types de biomarqueurs. Les biocapteurs laser à usage unique avec une sensibilité ultra élevée pourraient permettre un diagnostic précoce et rentable des principales maladies."
Plus d'informations : Chaoyang Gong et al, Biolasers sous-monocouches pour la détection de biomarqueurs ultrasensibles, Light :Science &Applications (2023). DOI :10.1038/s41377-023-01335-8
Informations sur le journal : La lumière :science et applications
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