Gerät kombiniert Optik und Bildanalyse zum Zählen von Biomolekülen

Das Versprechen der personalisierten Medizin umfasst ein einfaches Gerät, das jede Person über ihren Gesundheitszustand auf dem Laufenden hält, sogar Spuren unerwünschter Biomarker in Blut oder Speichel identifiziert und als Frühwarnsystem für Krankheiten dient.

Es wurde ein Gerät entwickelt, das aus einem ultradünnen und miniaturisierten optischen Chip besteht, der, wenn er mit einer Standard-CMOS-Kamera gekoppelt und durch Bildanalyse betrieben wird, in der Lage ist, Biomoleküle einzeln in einer Probe zu zählen und ihre Position zu bestimmen.

Die Technologie basiert auf Metaoberflächen – Schichten aus künstlichen Materialien, die mit Millionen von Elementen in Nanogröße bedeckt sind, die auf besondere Weise angeordnet sind. Bei einer bestimmten Frequenz sind diese Elemente in der Lage, Licht in extrem kleine Volumina zu pressen, wodurch hochempfindliche optische „Hotspots“ entstehen. Wenn Licht auf die Metaoberfläche scheint und an einem dieser Hotspots auf ein Molekül trifft, wird das Molekül sofort erkannt; Tatsächlich verrät sich das Molekül, indem es die Wellenlänge des Lichts ändert, das darauf trifft.

Durch die Verwendung unterschiedlich farbiger Lichter auf der Metaoberfläche und die Aufnahme jedes Mal mit einer CMOS-Kamera können die Forscher die Anzahl der Moleküle in einer Probe zählen und genau erfahren, was auf dem Sensorchip passiert. Smarte Data-Science-Tools werden dann verwendet, um die Millionen von CMOS-Pixeln, die durch diesen Prozess gewonnen werden, zu analysieren und Trends zu identifizieren. Die Forscher demonstrierten die Fähigkeit, nicht nur einzelne Biomoleküle an den Hotspots zu erkennen und abzubilden, sondern sogar eine einzelne Graphenschicht, die nur ein Atom dick ist.

Eine zweite Version des Systems wurde entwickelt, bei der die Metaoberflächen so programmiert sind, dass sie in verschiedenen Regionen bei unterschiedlichen Wellenlängen in Resonanz treten. Die Technik ist einfacher, aber auch weniger genau bei der Lokalisierung der Moleküle.