(Phys.org) —Au cours du dernier demi-siècle, les biocapteurs ont ouvert une nouvelle fenêtre sur le monde physique tout en révolutionnant une grande partie de la société moderne.

En utilisant un système électronique ou optique, les biocapteurs détectent et interagissent avec les composants des matériaux biologiques, permettant d'analyser l'ADN, mesurer la teneur en glucose dans le sang, détecter les biotoxines dans l'eau et l'atmosphère et bien plus encore.

Les ventes de biocapteurs ont atteint 8,5 milliards de dollars dans le monde en 2012 et devraient doubler pour atteindre 16,8 en 2018. Les États-Unis, avec 2,6 milliards de dollars de ventes en 2012, domine le marché mondial.

Yongkang Gao a passé une grande partie des trois dernières années à utiliser la nanotechnologie pour améliorer la vitesse, l'efficacité et la sensibilité des biocapteurs tout en diminuant considérablement leur taille et leur coût de fonctionnement.

Son objectif est de transformer les biocapteurs à résonance plasmonique de surface (SPR) relativement volumineux d'aujourd'hui, qui occupent la majeure partie d'un bureau, en biocapteurs nanoplasmoniques qui peuvent être tenus dans la main et peuvent effectuer des centaines de tests - médicaux, environnemental ou autre—à la fois.

Gao, qui a terminé son doctorat. en génie électrique en janvier et est maintenant chercheur aux laboratoires Bell du New Jersey, est l'auteur principal d'un article qu'une équipe de chercheurs en ingénierie de Lehigh a publié récemment dans la revue Laboratoire sur puce . Le groupe a également contribué à l'image de couverture du numéro.

Intitulé "Matrices de capteurs interférométriques plasmoniques pour une détection biomoléculaire sans marquage haute performance, " l'article a été co-écrit avec Zheming Xin, Beibei Zeng, Qiaoqiang Gan, Xuanhong Cheng et Filbert J. Bartoli. Xin et Zeng sont titulaires d'un doctorat. candidats. Gan, qui a obtenu son doctorat. de Lehigh en 2010, est professeur adjoint de génie électrique à l'Université d'État de New York à Buffalo. Bartoli, la Chaire Chandler Weaver en génie électrique et informatique, est le doctorat de Gao. conseiller et pilote le projet. Cheng, le PC Professeur adjoint Rossin au département de science et génie des matériaux, est directeur du Lehigh's Lab of Micro- and Nanotechnology for Diagnostics and Biology.

Améliorer le "gold standard"

Les scientifiques ont fait de grands progrès au cours des dernières décennies avec des biocapteurs marqués qui utilisent un récepteur attaché à une molécule fluorescente pour cibler des biomolécules. Lorsque la liaison se produit entre les molécules cibles et réceptrices, le marqueur fluorescent émet un signal lumineux dont la couleur renseigne sur l'identité des deux molécules qui se lient et la force de la liaison.

Plus récemment, les scientifiques ont développé une approche de détection sans étiquette, qui mesure un simple changement dans le signal optique ou électrique pour déterminer quelles molécules se sont liées et à quel point leurs liaisons sont fortes. Sans l'utilisation de processus d'étiquetage longs et coûteux, les chercheurs ont démontré une biodétection sans marquage qui est simple et rapide, et qui élimine toute interférence indésirable entre les marqueurs et les biomolécules.

Technologie SPR, qui est utilisé commercialement depuis plus de 20 ans, représente le "gold standard" actuel pour la biodétection sans marquage, dit Gao. Les biocapteurs SPR peuvent surveiller la liaison biomoléculaire en temps réel tout en fournissant des informations sur la cinétique de liaison, affinité, spécificité et concentration, le tout sans étiquetage. Les capteurs sont largement utilisés dans les tests de dépistage de drogue, Diagnostique, la protéomique (l'étude des protéines dans les organismes vivants) et l'immunologie.

Mais la conception de couplage de prisme utilisée dans la plupart des systèmes de biocapteurs SPR, dit Bartoli, nécessite une instrumentation encombrante, complexe et coûteux, en limitant leur utilisation principalement aux applications de recherche en laboratoire.

Pour surmonter ces limites, les chercheurs se tournent vers les nanotechnologies. Les progrès des techniques de fabrication, dit Gao, ont permis de construire, sur une puce, des nanostructures qui ont des dimensions proches de celles des ondes lumineuses visibles, soit environ 400 à 700 nanomètres (1 nm est un milliardième de mètre). Mais alors que ces dispositifs nanométriques sont plus petits, plus simple et moins cher que les biocapteurs SPR conventionnels, jusqu'à présent, ils sont d'un à deux ordres de grandeur moins sensibles.

En combinant deux nouvelles approches, les architectures nanoplasmoniques et l'interférométrie, le groupe Lehigh a réussi à conserver la simplicité des biocapteurs à l'échelle nanométrique tout en améliorant la résolution des capteurs à des niveaux presque aussi sensibles que ceux atteints par les systèmes SPR commerciaux.

Les architectures plasmoniques sont basées sur des polaritons de plasmons de surface (SPP), un type d'onde électromagnétique qui est généré lorsqu'un faisceau de lumière se couple à une onde oscillante d'électrons à la surface d'un métal. L'interférométrie est une technique expérimentale qui utilise l'interférence des ondes lumineuses pour fournir des informations sur les changements d'indice de réfraction, irrégularités de surface et autres phénomènes impliquant l'interaction de la lumière et de la matière.

"L'interaction résonante des ondes lumineuses avec des électrons oscillants, " dit Gao, "cause les ondes d'être fortement confinées à une surface métallique. Cela crée un champ optique puissant dans un volume à l'échelle nanométrique, qui est particulièrement adapté à la détection biomoléculaire. Les SPP ont été découverts il y a un demi-siècle, mais ce n'est que récemment, avec la maturation des techniques de nanofabrication, que les ingénieurs ont pu exploiter les nanostructures plasmoniques pour contrôler librement les interactions entre les ondes lumineuses et les électrons."

Dans un effort pour améliorer la sensibilité de son dispositif de détection nanoplasmonique, le groupe Lehigh s'est concentré sur plusieurs objectifs :atteindre une largeur de ligne de pic de détection beaucoup plus étroite, un contraste spectral plus élevé et un décalage de pic plus important pour un changement d'indice de réfraction modéré.

After performing 3-D numerical simulations to test and optimize various parameters, the Lehigh group etched a 600-nm-diameter nanohole and three surrounding concentric grooves into a 300-nm-thick gold film deposited onto a glass substrate. This geometry, says Gao, achieved the proposed research goals and obtained greater sensitivity and imaging than the nanohole array sensors developed by other researchers.

"Other researchers investigating nanoplasmonic sensors have been limited by a very broad line width, " he says. "We want a much narrower line width, as well as a high spectral contrast and an intense transmission peak."

When the Lehigh researchers illuminated their device with a collimated white light beam, the light coupled with electrons in the concentric grooves to form SPPs, which propagated toward the nanohole in the center. Là, the SPPs interfere with the light beam being transmitted through the hole.

"By careful structural tuning, " the researchers wrote in Lab on a Chip, "we can effectively control the phase and intensity properties of interfering SPPs and light waves to generate spectral fringes with high contrast, narrow line width and large amplitude, all key characteristics to achieve optimized spectral sensing."

"By controlling the size of the hole, " says Gao, "we control the intensity of the free-space light that is directly transmitted through the hole. By controlling the size of the grooves, we control the intensity of the SPPs to delicately balance two components and produce an interference pattern with large spectral contrast and narrow linewidth."

The resolution recorded by the group (0.4 picograms per mm-2) compares favorably with the resolution of commercial SPR systems (0.1 picograms per mm-2) but has the advantage of a sensor footprint that is smaller by two orders of magnitude.

De plus, the Lehigh device has the potential to achieve simultaneous measurement from a high-density array of 144 sensors and, when combined with CCD imaging, is predicted to have significantly higher throughput as well.

"This is a very simple optical transmission geometry, " says Bartoli, "and it transforms the SPR from an expensive, bulky system to a low-cost monitoring platform without sacrificing performance.

"We believe our success promises revolutionary advances in low-cost, portable biomedical devices for point-of-care diagnostics and personalized healthcare applications, and also in other high-throughput sensing applications in proteomics, Diagnostique, drug discovery and fundamental cell biology research."