Pequeños sensores microláser con capacidad de biodetección supercargada permiten diagnóstico temprano de enfermedades

Los sensores ópticos microláser de modo galería susurrante funcionan atrapando la luz dentro de diminutas microcavidades. Cuando las moléculas diana se unen a la cavidad, inducen cambios sutiles en la frecuencia del láser, lo que permite una biodetección de alta sensibilidad. Sin embargo, un desafío importante al aplicar estos sensores en situaciones reales es que el acoplamiento de la luz requiere una fibra óptica cónica con un diámetro inferior a 2 micras. Estas diminutas fibras son difíciles de alinear y sensibles a las perturbaciones ambientales. Esta limitación ha dificultado la integración de sensores microláser en dispositivos de laboratorio en un chip para la detección de biomoléculas en tiempo real y de alta sensibilidad. Para responder a este desafío, los investigadores han desarrollado un sensor microimpreso en 3D para la biodetección en chip de alta sensibilidad. El sensor, basado en un microláser de polímero de modo galería susurrante, abre nuevas posibilidades para dispositivos de laboratorio en un chip de alto rendimiento y rentables destinados a la detección temprana de enfermedades.

En su investigación publicada en la revista Optics Letters, científicos de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU, Hong Kong, China) han presentado un nuevo diseño de sensor microláser que aborda muchas de las dificultades en la integración de estos sensores en sistemas de laboratorio en un chip, haciéndolos adecuados para pruebas médicas en el punto de atención. El sensor utiliza una microcavidad de disco única en forma de Limacon, que permite la detección de concentraciones muy pequeñas de inmunoglobulina G (IgG) humana, un anticuerpo común que se encuentra en la sangre y otros fluidos corporales. Los microláseres tradicionales de modo de galería susurrante utilizan microcavidades circulares, pero este diseño dificulta la recolección eficiente de la luz emitida, lo que limita la claridad de la señal del sensor.

Imagen: imágenes de microscopía electrónica de barrido que muestran microcavidades de modo de modificación de la galerista en forma de limacón 3D con diferentes cantidades de deformación (foto cortesía de A. Ping Zhang/PolyU)

Para superar esta limitación, los investigadores diseñaron un sensor microláser en modo galería susurrante con un microdisco suspendido en forma de Limacon. Este diseño innovador reduce el umbral láser y produce una emisión de luz direccional, lo que mejora la eficiencia y lo hace más adecuado para su integración en sistemas en chip. Utilizando su tecnología patentada de microimpresión 3D, que proporciona alta resolución y flexibilidad, los investigadores pudieron imprimir rápidamente matrices de biosensores microláser en modo galería susurrante. Los resultados experimentales demostraron que los biosensores alcanzaron un umbral láser bajo de 3,87 μJ/mm² y un ancho de línea láser estrecho de aproximadamente 30 pm. Además, los sensores detectaron con éxito IgG con una sensibilidad de attogramos por mililitro, lo que destaca su potencial para la detección ultrabaja de biomarcadores para el diagnóstico temprano de enfermedades. De cara al futuro, los investigadores pretenden integrar estos sensores microláser en un chip microfluídico para desarrollar biochips optofluídicos capaces de detectar rápida y simultáneamente múltiples biomarcadores de enfermedades.

“En el futuro, estos sensores microláser con modo de galería susurrante podrían integrarse en un chip microfluídico para posibilitar una nueva generación de dispositivos de laboratorio en chip para la detección cuantitativa ultrasensible de múltiples biomarcadores”, afirmó A. Ping Zhang, líder del equipo de investigación de la Universidad Politécnica de Hong Kong. “Esto podría utilizarse para el diagnóstico temprano de enfermedades como el cáncer y el Alzheimer, o para combatir crisis sanitarias importantes, como la pandemia de COVID-19”.

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