Miniaturisiertes Optisches Gerät Zählt Biomoleküle mit Fortgeschrittener Bildanalyse

Das Versprechen personalisierter Medizin beinhaltet ein einfaches Gerät, das jede Person über ihren Gesundheitszustand informiert, selbst Spuren unerwünschter Biomarker in Blut oder Speichel identifiziert und als Frühwarnsystem für Krankheiten dient.

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

Die Technologie basiert auf Metasurfaces – Blättern künstlicher Materialien, die mit Millionen nano-großer Elemente in spezieller Anordnung bedeckt sind. Bei einer bestimmten Frequenz können diese Elemente Licht in extrem kleine Volumen pressen und ultrasensitive optische „Hotspots“ erzeugen. Wenn Licht auf die Metasurface scheint und ein Molekül an einem dieser Hotspots trifft, wird das Molekül sofort detektiert; tatsächlich verrät sich das Molekül selbst, indem es die Wellenlänge des Lichts ändert, das es trifft.

Durch Verwendung verschiedener farbiger Lichter auf der Metasurface und Aufnahme eines Bildes jeweils mit einer CMOS-Kamera können Forscher die Anzahl der Moleküle in einer Probe zählen und genau erfahren, was auf dem Sensorchip passiert. Intelligente Data-Science-Tools werden dann verwendet, um die Millionen von CMOS-Pixeln, die durch diesen Prozess gewonnen werden, zu analysieren und Trends zu identifizieren. Forscher demonstrierten die Fähigkeit, nicht nur einzelne Biomoleküle an den Hotspots zu detektieren und zu bilden, sondern sogar ein einzelnes Graphenblatt, das nur ein Atom dick ist.

Eine zweite Version des Systems wurde entwickelt, in der die Metasurfaces programmiert sind, bei unterschiedlichen Wellenlängen in verschiedenen Bereichen zu resonieren. Die Technik ist einfacher, aber auch weniger präzise in der Lokalisierung der Moleküle.