Geminimaliseerd Optisch Apparaat Telt Biomoleculen Met Geavanceerde Beeldanalyse

De belofte van gepersonaliseerde geneeskunde omvat een eenvoudig apparaat dat iedere persoon op de hoogte houdt van hun gezondheidsniveau, zelfs spoormaantjes van ongewilde biomarkers in bloed of speeksel identificeert, en fungeert als een vroegtijdig waarschingssysteem voor ziekten.

Een apparaat is ontwikkeld dat bestaat uit een ultra-dun en geminimaliseerd optisch chipje dat, wanneer gekoppeld met een standaard CMOS-camera en aangedreven door beeldanalyse, in staat is om biomoleculen één voor één in een monster te tellen en hun locatie te bepalen.

De technologie is gebaseerd op metasurfaces — vellen van kunstmatige materialen bedekt in miljoenen nano-grote elementen gerangschikt op een speciale manier. Op een bepaalde frequentie zijn deze elementen in staat om licht in extrem kleine volumes te squeezen, wat ultrasensitieve optische "hotspots" creëert. Wanneer licht op de metasurface schijnt en een molecuul raakt op een van deze hotspots, wordt het molecuul onmiddellijk gedetecteerd; in feite geeft het molecuul zichzelf prijs door de golflengte van het licht dat het raakt te veranderen.

Door verschillende kleurlicht op de metasurface te gebruiken en elke keer een foto te maken met een CMOS-camera, zijn onderzoekers in staat om het aantal moleculen in een monster te tellen en precies te leren wat er op de sensorchip gebeurt. Slimme data science tools worden dan gebruikt om de miljoenen CMOS-pixels die via dit proces verkregen worden te analyseren en trends te identificeren. Onderzoekers toonden de capaciteit om niet alleen individuele biomoleculen op de hotspots te detecteren en te imageren, maar zelfs een enkel grafeneenlaagje van slechts één atoom dik.

Een tweede versie van het systeem werd ontwikkeld waarin de metasurfaces geprogrammeerd zijn om te resoneren op verschillende golflengtes in verschillende regio's. De techniek is eenvoudiger maar ook minder precies in het lokaliseren van de moleculen.