Les chercheurs de l'OIST créent un nouveau capteur capable de mesurer à la fois la charge et la masse des biomolécules avec des applications potentielles dans le diagnostic des soins de santé.

Les plateformes microfluidiques ont révolutionné le diagnostic médical ces dernières années. Au lieu d'envoyer des échantillons de sang ou d'urine à un laboratoire pour analyse, les médecins peuvent tester une seule goutte de sang ou d'urine d'un patient pour diverses maladies au point de soins sans avoir besoin d'instruments coûteux. Avant que l'échantillon puisse être testé cependant, les médecins doivent insérer des biomolécules spécifiques de détection de maladies dans la plate-forme microfluidique. Ce faisant, il faut s'assurer que ces biomolécules sont bien liées à l'intérieur du dispositif pour les protéger d'être rincées par l'échantillon entrant. Comme cette étape préparatoire peut prendre beaucoup de temps, il serait avantageux que les plates-formes microfluidiques soient pré-préparées avec des biomolécules spécifiques scellées à l'intérieur. Cependant, ce processus de scellement nécessite l'exposition des composants du dispositif à un gaz à haute énergie ou « ionisé » et on ne sait pas si les biomolécules peuvent survivre à ce processus difficile.

Pour répondre à cette question, Des chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont créé un nouveau capteur qui détecte les biomolécules avec plus de précision que jamais. Ce capteur a été utilisé pour démontrer que les biomolécules peuvent être scellées avec succès dans des dispositifs microfluidiques. Les résultats ont des implications profondes pour le diagnostic des soins de santé et ouvrent des opportunités pour la production de dispositifs de test sanguin ou d'urine de plate-forme microfluidique préemballés.

Traditionnellement, Les capteurs à semi-conducteur à oxyde métallique (MOS) sont utilisés pour détecter la liaison de biomolécules à une surface en mesurant les changements de charge. Composé d'une couche semi-conductrice en silicium, une couche isolante en verre et une couche en métal doré, ces capteurs sont incorporés dans un circuit électrique avec la biomolécule assise dans un puits en plastique rempli d'électrolyte au-dessus du capteur. Si vous appliquez ensuite une tension et mesurez le courant, vous pouvez calculer la charge à partir de la lecture de la capacité émise. Des biomolécules avec des charges différentes vous donneront des lectures de capacité différentes, vous permettant de quantifier la présence de biomolécules.

Le nouveau capteur créé par les chercheurs de l'Unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'OIST, mesure la charge en utilisant la même technique que les capteurs conventionnels mais a la fonction supplémentaire de mesurer la masse. Au lieu d'avoir une couche de métal doré solide, le capteur semi-conducteur nano-métal-isolant (nMIS) a une couche de minuscules îlots métalliques dorés. Si vous faites la lumière sur ces nanostructures, les électrons de surface commencent à osciller à une fréquence spécifique. Lorsque des biomolécules sont ajoutées à ces nano-îlots, la fréquence de ces oscillations change proportionnellement à la masse de la biomolécule. Sur la base de ce changement, vous pouvez utiliser cette technique pour mesurer la masse de la biomolécule, et confirmer s'il survit à l'exposition au gaz ionisé pendant l'encapsulation dans la plate-forme microfluidique.

"Nous avons créé un capteur simple qui peut répondre à des questions de chimie de surface très complexes, " explique le Dr Nikhil Bhalla qui a travaillé à la création du capteur nMIS.

La mesure de deux propriétés fondamentales des réactions chimiques de surface sur le même appareil signifie que les chercheurs peuvent être beaucoup plus confiants que les biomolécules ont été encapsulées avec succès dans la plate-forme microfluidique. Une mesure de charge ou de masse seule pourrait être trompeuse, donnant l'impression que les biomolécules se sont liées à une surface alors qu'en fait elles ne l'ont pas été. Avoir plus d'une technique dans le même appareil signifie que vous pouvez passer d'un mode à l'autre pour voir si vous avez le même résultat.

"Les scientifiques doivent valider une réaction avec plusieurs techniques pour confirmer qu'une observation est authentique. Si vous avez un capteur qui permet la détection de deux paramètres sur une seule plate-forme, alors c'est vraiment bénéfique pour la communauté des senseurs, " dit le Dr Bhalla.

"By combining these two simple measurement techniques into one compact platform, it opens doors to create portable and reliable sensing technologies in the future", adds PhD student Shivani Sathish.

In a proof-of-concept experiment, by combining information about both the mass and charge of the biomolecule, the scientists were able to show that a common biomolecule survives exposure to ionized gas at a specific energy level. A single reading of charge alone gives a misleading result, but looking at the complementary parameters together allows for more accurate biomolecule detection.

This novel nMIS sensor could be used to create microfluidic platforms that test for various diseases. By measuring charge and mass using the nMIS sensor, researchers can ensure that disease-detecting biomolecules are successfully sealed and functional inside the testing device.

"It would be like a pre-packaged pregnancy test, " says Professor Amy Shen, head of OIST's Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "If there is already something adsorbed then all you have to do is introduce whatever sample you are using, such as urine or blood."

It might also be possible to combine several biomarkers in the same device to test for different diseases at the same time. By integrating this dual sensing technology with the ready-to-use devices, it offers great promise in the field of healthcare diagnostics owing to its advantages of portability and point-of-care testing.