(Phys.org) -- Les biocapteurs optiques sans étiquette permettent de surveiller les biomolécules et leurs interactions dans des tests de diagnostic souvent très sensibles. Plusieurs méthodes ont été employées à cet effet, y compris la biodétection Whispering Gallery Mode (WGM), qui offre une approche particulièrement sensible pour quantifier le chargement en masse de biomolécules sur la surface du résonateur avec une sensibilité ultime estimée au niveau d'une seule molécule. Le biocapteur WGM le plus simple est une microsphère de verre (généralement de 50 à 100 mm de diamètre) où la lumière résonante reste confinée par réflexion interne totale.
Les capteurs WGM tirent leur sensibilité sans précédent de l'utilisation de résonances optiques à facteur de qualité élevée (facteur Q) pour surveiller les signaux de décalage de longueur d'onde lors de la liaison de biomolécules ou de nanobilles à la surface du résonateur. Même un seul virus pourrait être détecté. Encore, si par ex. une seule molécule de protéine doit être détectée, la sensibilité doit être augmentée. Il y a eu plusieurs approches, comme la génération de points chauds à l'aide d'un concept de détection hybride photonique-plasmonique avec une couche de nanoparticules d'or (NP) couplée à un biocapteur WGM. Cependant, il y a quelques inconvénients :Premièrement, les mesures ne peuvent pas être effectuées directement en solution. Seconde, l'analyse en temps réel n'est pas possible car les protéines doivent être pré-adsorbées sur les NPs. Troisième, les protéines sont adsorbées de manière aléatoire dans la couche NP - en dehors des sites d'amélioration du champ plasmonique - ce qui abaisse la sensibilité de détection.
Une équipe germano-américaine dirigée par Frank Vollmer et Melik C. Demirel propose maintenant un concept alternatif surmontant ces problèmes :le piégeage optique de molécules protéiques sur les sites d'augmentation du champ plasmonique dans une couche aléatoire de NP d'or. L'intégration stable du biocapteur WGM à microsphères avec une couche d'or NP mouillée est essentielle pour obtenir une détection ultra-sensible. Par conséquent, la cavité des microsphères de silice reste fixée sur la couche Au NP. Le facteur Q de la microsphère diminue légèrement mais se situe toujours dans la plage de 105. Après avoir ajouté une solution d'albumine de sérum bovin (BSA) au microlitre de volumes d'échantillon, qui pénètre dans la couche de NP par aspiration capillaire, les chercheurs ont observé un décalage de longueur d'onde significatif et inattendu.
La sensibilité obtenue dans l'ordre des niveaux de concentration de femtomole était très surprenante, et ne peut pas être expliqué par la liaison aléatoire des molécules de BSA à la surface NP. Au lieu, les scientifiques ont émis l'hypothèse que les molécules de protéines préfèrent se lier à des points chauds (c'est-à-dire des NP aléatoires étroitement espacés) de résonances plasmoniques excitées dans la couche de NP en raison du piégeage optique. Pour valider cette hypothèse, ils ont calculé la distribution du champ électromagnétique dans une couche modèle de NP en utilisant la théorie de Mie généralisée et simulé le décalage de longueur d'onde attendu en raison de la liaison des protéines. Leurs calculs ont montré que, En effet, le piégeage optique des protéines à des emplacements de points chauds plasmoniques hautement sensibles est essentiel pour obtenir une sensibilité élevée dans la biodétection par microcavité.
La sensibilité obtenue dans l'ordre des niveaux de concentration de femtomole était très surprenante, et ne peut pas être expliqué par la liaison aléatoire des molécules de BSA à la surface NP. Au lieu, les scientifiques ont émis l'hypothèse que les molécules de protéines préfèrent se lier à des points chauds (c'est-à-dire des NP aléatoires étroitement espacés) de résonances plasmoniques excitées dans la couche de NP en raison du piégeage optique. Pour valider cette hypothèse, ils ont calculé la distribution du champ électromagnétique dans une couche modèle de NP en utilisant la théorie de Mie généralisée et simulé le décalage de longueur d'onde attendu en raison de la liaison des protéines. Leurs calculs ont montré que, En effet, le piégeage optique des protéines à des emplacements de points chauds plasmoniques hautement sensibles est essentiel pour obtenir une sensibilité élevée dans la biodétection par microcavité.
L'équipe, composé de scientifiques de la Pennsylvania State University (USA), à BASF SE (Ludwigshafen, Allemagne), le Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, ETATS-UNIS), et l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (Erlangen, Allemagne), a établi une nouvelle voie prometteuse vers la résolution de molécules uniques dans des biocapteurs WGM couplés à des nanoantennes plasmoniques modifiées ou aléatoires. L'utilisation d'une couche NP aléatoire a l'avantage de s'intégrer à un dispositif microfluidique, et les NP d'or peuvent être facilement fonctionnalisées avec des éléments de reconnaissance tels que des oligonucléotides ou des protéines. L'approche pourrait être intéressante dans de nombreux domaines, notamment la biodétection médicale et le dépistage des médicaments.
