Apparaat combineert optica en beeldanalyse om biomoleculen te tellen

De belofte van gepersonaliseerde geneeskunde omvat een eenvoudig apparaat dat elke persoon op de hoogte houdt van hun gezondheidsniveau, zelfs sporen van ongewenste biomarkers in bloed of speeksel identificeert en dient als een vroegtijdig waarschuwingssysteem voor ziekten.

Er is een apparaat ontwikkeld dat bestaat uit een ultradunne en geminiaturiseerde optische chip die, in combinatie met een standaard CMOS-camera en aangedreven door beeldanalyse, in staat is biomoleculen één voor één in een monster te tellen en hun locatie te bepalen.

De technologie is gebaseerd op meta-oppervlakken - platen van kunstmatige materialen bedekt met miljoenen nano-elementen die op een speciale manier zijn gerangschikt. Bij een bepaalde frequentie zijn deze elementen in staat om licht in extreem kleine volumes te persen, waardoor ultragevoelige optische "hotspots" ontstaan. Wanneer licht op het meta-oppervlak schijnt en een molecuul raakt op een van deze hotspots, wordt het molecuul onmiddellijk gedetecteerd; in feite geeft het molecuul zichzelf weg door de golflengte van het licht dat erop valt te veranderen.

Door verschillende gekleurde lichten op het meta-oppervlak te gebruiken en elke keer een foto te maken met een CMOS-camera, kunnen onderzoekers het aantal moleculen in een monster tellen en precies leren wat er op de sensorchip gebeurt. Slimme datawetenschapstools worden vervolgens gebruikt om de miljoenen CMOS-pixels die via dit proces zijn verkregen te analyseren en trends te identificeren. Onderzoekers toonden het vermogen aan om niet alleen individuele biomoleculen op de hotspots te detecteren en in beeld te brengen, maar zelfs een enkele grafeenplaat van slechts één atoom dik.

Er is een tweede versie van het systeem ontwikkeld waarin de meta-oppervlakken zijn geprogrammeerd om te resoneren op verschillende golflengten in verschillende regio's. De techniek is eenvoudiger maar ook minder nauwkeurig in het lokaliseren van de moleculen.