Minimal laserteknologi kan ta labbet hem till dig

https://mb.cision.com/Public/5569/4317655/891860fe568b97dd_800x800ar.jpg

Ett forskarlag vid Chalmers har tagit fram en ny laserteknologi som kan göra det möjligt att tillverka minimala och kostnadseffektiva biosensorer. I sensorerna integreras laser och optik tillsammans på ett centimeterstort chip, vilket skulle kunna flytta tester från sjukhuset hem till patienterna. Det öppnar för att kunna frigöra vårdplatser på sjukhus, och minska antalet vårdbesök för provtagning.

Genom att studera hur olika biomolekyler interagerar med varandra, till exempel immunförsvarets antikroppar och kroppsfrämmande antigener, kan forskare få värdefulla ledtrådar i jakten på ny medicin och vaccin, eller bedöma om ett prov innehåller tecken på infektion.

Optiska biosensorer baserade på en teknik som heter ytplasmonresonans är ett viktigt verktyg för att studera dessa interaktioner. Sensorerna riktar ljus mot en guldyta och mäter mycket små förändringar i ljusets reflektion som uppstår när biomolekyler placeras på ytan.

Nu presenterar ett forskarlag på Chalmers en ny laserteknologi som gör det möjligt att skapa sådana biosensorer i miniatyrformat. I sensorerna integreras laserkällan, samt optiken som krävs, direkt tillsammans i ett halvledarchip. Det gör att sensorerna kan bli betydligt mer kompakta, vilket öppnar för att den optiska tekniken kan bli portabel och flyttas ut från laboratoriemiljön.

–  Med den här tekniken vill vi skapa ett instrument för att sjukvårdspersonal ska kunna ta vissa tester hemma hos patienten. Just nu arbetar vi till exempel på att se hur väl vår sensor kan ta sänkan. Eftersom tekniken är väldigt generell och kan detektera ett brett spektrum av biomolekylära interaktioner, ser vi att det kan finnas många potentiella tillämpningar för olika sorters provtagningar. Det banar väg för att patienter kan lämna sjukhuset tidigare efter en operation – och därmed frigöra vårdplatser – och att antalet vårdbesök för provtagning kan minskas, säger Erik Strandberg, doktorand i fotonik på Chalmers och försteförfattare till en studie publicerad i den vetenskapliga tidskriften ACS Sensors.

Hela lösningen paketerad på ett litet chip

För att kunna följa biomolekylers interaktion med hjälp av en optisk sensor, krävs att guldytan träffas med en exakt stråle laserljus i en mycket brant vinkel. De lösningar som används idag kräver skrymmande optiska komponenter, bland annat prismor, som dessutom gör dem tidskrävande att montera. Chalmersforskarnas sensor består av ett centimeterstort chip utrustat med hundratals mikroskopiska lasrar, där den styrande optiken för att forma precis rätt stråle är integrerad direkt i chippet. Därmed blir ljuskällan till tekniken mycket mindre och lättare, vilket gör det möjligt att skapa den kompakta sensorn – som är så liten att den går att hålla i handen.

– Att vi har lyckats integrera optiken med laserkällorna direkt i ett chip öppnar många dörrar och är ett viktigt steg mot att krympa dagens bioteknikinstrument, och skapa portabla, batteridrivna system. Chippen vi tillverkar är ungefär lika stora som ett häftstift och innehåller hundratals lasrar som var och en har en storlek på 200×250 mikrometer – ett par gånger tjockare än diametern på ett hårstrå. Med både laser och optik i samma halvledarchip kan det dessutom bli möjligt att kostnadseffektivt producera ljuskällor för tekniken i stora volymer, säger Erik Strandberg.

Vill få ut tekniken i sjukvården

I nästa steg siktar forskarna på att utveckla tekniken ytterligare genom att dels öka sensorns känslighet, dels utöka antalet prover som kan analyseras samtidigt.

– Än så länge har det inte gått att utnyttja alla lasrar på våra chip för att analysera prover, men där finns stora möjligheter till förbättring. Om vi lyckas tror vi att sensorn, på sikt, även kan göra det möjligt att analysera betydligt fler prover på samma gång än vad som hittills har varit möjligt med dagens teknik. Men härnäst planerar vi att skapa en prototyp av en portabel sensor, som kan användas utan allt för mycket förkunskaper. Det stora målet är att sjukvården ska kunna använda sensorn utanför labbet, säger Hana Jungová, senior forskare i studien.

Mer om forskningen

Forskarnas studie Flat Plasmonic Biosensor with an On-Chip Metagrating-Integrated Laser har publicerats i ACS Sensors. Författarna till artikeln är Erik Strandberg, Mindaugas Juodėnas, Mikael Käll och Hana Jungová vid Chalmers tekniska högskola. Studien har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.

För mer information, kontakta: 

Erik Strandberg, doktorand i fotonik vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola, erik.strandberg@chalmers.se, 072 58 57 577

Hana Jungová, forskare vid institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola, hana.jungova@chalmers.se, 079 304 38 55

Erik Strandberg pratar svenska och engelska. Hana Jungová pratar engelska och tjeckiska. På Chalmers har vi poddstudior och filmutrustning på plats och kan bistå vid förfrågningar om tv-, radio- eller poddintervjuer.  

Bildtext till bilden ovan

Ett forskarlag på Chalmers har tagit fram en ny, minimal laserteknologi som gör det möjligt att skapa en biosensor i miniatyrformat. I biosensorn integreras laserkälla och optik direkt tillsammans i ett centimeterstort halvledarchip. Det möjliggör betydligt mindre sensorer, vilket banar väg för att den optiska tekniken kan bli portabel och tester kan flyttas från sjukhuset hem till patienterna.

Illustration: Chalmers/Erik Strandberg