Ученые совершили прорыв в создании универсального биосенсорного чипа

Исследователи значительно улучшили характеристики чиповых сенсорных устройств для обнаружения и анализа веществ. Эти достижения закладывают основу для высокочувствительных портативных интегрированных оптофлюидных сенсоров, способных одновременно проводить различные медицинские тесты, даже если они включают совершенно разные типы биологических частиц (например, вирусные частицы и ДНК) в крайне различающихся концентрациях.

Как сообщается в журнале Optica, группа под руководством Хольгера Шмидта из Центра наноразмерной оптофлюидики им. У.М. Кека в Калифорнийском университете в Санта-Крузе (UCSC) применила новые методы обработки сигналов к оптофлюидному чипу-биосенсору. Это позволило бесшовно детектировать флуоресценцию смеси нанобусин в диапазоне концентраций, охватывающем восемь порядков величины — от аттомолярной до наномолярной. Это расширяет рабочий диапазон концентраций для таких сенсоров более чем в 10 000 раз.

Создание универсального тестового устройства

Хотя разработано много типов чиповых тестовых устройств, большинство из них ориентированы на одну цель или тип анализа, поскольку биомолекулы существуют в разных формах и в крайне различных количествах. Например, концентрации различных белков, используемых в качестве биомаркеров заболеваний, могут различаться более чем на десять порядков величины.

Группа Шмидта в сотрудничестве с Аароном Хокинсом из Университета Бригама Янга работает над платформой для проведения множественных типов анализов. Она основана на оптофлюидных чипах, которые объединяют оптику и микрофлюидные каналы на кремниевой или пластиковой подложке. Частицы детектируются путем их освещения лазерным лучом и измерения отклика с помощью светочувствительного детектора.

Ранее исследователи уже демонстрировали, что их платформа обладает необходимой чувствительностью для различных анализов и может обнаруживать множество типов частиц, включая нуклеиновые кислоты, белки, вирусы, бактерии и биомаркеры рака. Однако до сих пор они использовали отдельные детекторы и методы анализа сигналов для измерения частиц с высокими и низкими концентрациями. Это было необходимо, потому что если один тип частиц присутствует в очень высокой концентрации, он создает слишком сильный сигнал, который заглушает гораздо более слабые сигналы другого типа частиц с низкой концентрацией.

Улучшенная обработка сигналов

В новой работе Шмидт и аспирант Вахид Ганджализаде разработали методы обработки сигналов, позволяющие одновременно детектировать частицы как в высоких, так и в низких концентрациях, даже если концентрации заранее неизвестны. Для этого они комбинировали разные частоты модуляции сигнала: высокочастотную модуляцию лазера для различения одиночных частиц при низких концентрациях и низкочастотную модуляцию для детектирования сильных сигналов от множества частиц одновременно при высоких концентрациях.

Во-вторых, была реализована обратная связь, которая обнаруживает слишком сильные сигналы и соответствующим образом регулирует мощность входного лазерного излучения. Это позволяет детектировать сильные сигналы от высоких концентраций, не заглушая слабые сигналы другого типа частиц с низкой концентрацией.

Исследователи также применили разработанный ранее сверхбыстрый алгоритм для идентификации сигналов от одиночных частиц при низких концентрациях в реальном времени. Машинное обучение помогло распознавать паттерны сигналов, чтобы с высокой точностью различать типы частиц.

Различение низких и высоких концентраций

Новый подход к анализу сигналов был продемонстрирован на примере прокачивания через оптофлюидные чипы-биосенсоры раствора нанобусин разных концентраций и с различными цветами флуоресценции. Ученые смогли корректно определить концентрации желто-зеленых и малиновых бусин, даже когда их концентрации в смеси различались более чем в 10 000 раз.

Технология оптофлюидного биосенсинга команды в настоящее время коммерциализируется медицинской компанией Fluxus Inc. Исследователи также работают над адаптацией своих методов для изучения молекулярных продуктов искусственных нейронных тканей-органоидов. Этот проект, являющийся частью Центра геномики живых клеток UCSC (Центра передового опыта в области геномных наук NIH), может дать новое понимание в таких областях, как нейродегенеративные заболевания и детский рак.