Биомаркеры представляют собой небольшие молекулы, представляющие интерес для исследователей, поскольку они могут указывать на основные заболевания, часто даже до появления симптомов. Однако обнаружение этих маркеров может оказаться сложной задачей, поскольку они часто присутствуют в очень небольших количествах, особенно на ранних стадиях заболевания. Традиционные методы обнаружения, хотя и эффективны, обычно требуют дорогостоящих компонентов, таких как призмы, металлические пленки или оптические объективы.

В недавней статье, опубликованной в Письма по прикладной физикеИсследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне представили новый подход к обнаружению низких концентраций биомаркеров, который открывает путь к технологии биодетектирования, простой в использовании, высокочувствительной и удивительно доступной.

«Цель этой технологии — ранняя диагностика, чтобы иметь возможность обнаруживать молекулы, связанные с заболеваниями, в очень низких концентрациях, иногда в нескольких молекулах на миллион, на очень ранних стадиях», — сказал Симеш Бхаскар, постдокторант из лаборатории Брайана Каннингема и первый автор. на учебе. «Например, поиск очень небольших концентраций микроРНК, циркулирующей опухолевой ДНК и экзосом может помочь определить, разовьется ли у пациента рак через один или два года».

Раннее выявление биомаркеров имеет решающее значение для эффективного прогнозирования и лечения заболеваний. Существует множество стратегий измерения присутствия и концентрации биомаркеров, но общий подход предполагает связывание их с флуоресцентной молекулой, называемой флуорофором, которая излучает флуоресценцию при возбуждении светом.

Бхаскар отметил, что, хотя существуют технологии, способные обнаруживать такие низкие уровни флуоресцентных биомаркеров, они часто громоздки и дороги, что ограничивает их доступность в здравоохранении, особенно в районах с ограниченными ресурсами.

Этот подход включает в себя новое явление для обнаружения света, называемое резонансом направленных мод, в котором используются фотонные кристаллы — тонкие кусочки стекла с небольшими решетками на поверхности. Эти решетки помогают направлять фотоны, которые представляют собой маленькие частицы света, испускаемые биомаркерами, по пути посредством эффекта рулевого управления. Этот путь «настроен» так, чтобы соответствовать длине волны флуоресценции, излучаемой биомаркерами, что оптимизирует сбор света и повышает чувствительность обнаружения.

Бхаскар сравнивает это с ритмичным танцем световой энергии внутри кристалла, где свет усиливается, приобретая свойства фотонного кристалла. Одно свойство кристалла, называемое выбором поляризации, уравнивает поляризацию света, обеспечивая более четкое и четкое обнаружение флуоресценции. В совокупности это может привести к увеличению мощности в 100 раз.

«Для меня это совершенно новый способ изучения свойств самого света», — сказал Бхаскар. «Фотоны адаптируются, изменяются и развиваются, проходя через фотонный кристалл. Свет приобретает новые характеристики, не теряя своей сути. Это свидетельство адаптируемости и преобразующей силы света».

Открытие этого нового явления закладывает основу для будущих платформ обнаружения, которые смогут обнаруживать молекулы на пикомолярных уровнях, не полагаясь на дорогостоящие компоненты, что сделает технологию биодетектирования более чувствительной, доступной и доступной.