Dispositivo óptico miniaturizado cuenta biomoléculas con análisis de imagen avanzado

La promesa de la medicina personalizada involucra un dispositivo simple que mantiene a cada persona informada de su nivel de salud, identifica incluso cantidades traza de biomarcadores indeseables en sangre o saliva, y sirve como sistema de alerta temprana para enfermedades.

Se desarrolló un dispositivo que consiste en un chip óptico ultra-delgado y miniaturizado que, cuando se acopla con una cámara CMOS estándar y potenciado por análisis de imagen, es capaz de contar biomoléculas una por una en una muestra y determinar su ubicación.

La tecnología se basa en metasuperficies — láminas de materiales artificiales cubiertas en millones de elementos nano-dimensionados dispuestos de una manera especial. A una cierta frecuencia, estos elementos son capaces de comprimir luz en volúmenes extremadamente pequeños, creando "puntos calientes" ópticos ultrasensibles. Cuando la luz brilla en la metasuperficie y golpea una molécula en uno de estos puntos calientes, la molécula es detectada inmediatamente; de hecho, la molécula se delata a sí misma cambiando la longitud de onda de la luz que la golpea.

Usando luces de diferentes colores en la metasuperficie y tomando una foto cada vez con una cámara CMOS, los investigadores son capaces de contar el número de moléculas en una muestra y aprender exactamente qué está sucediendo en el chip del sensor. Herramientas inteligentes de ciencia de datos se usan luego para analizar los millones de píxeles CMOS obtenidos vía este proceso e identificar tendencias. Los investigadores demostraron la capacidad de detectar e imaginar no solo biomoléculas individuales en los puntos calientes sino incluso una sola lámina de grafeno de solo un átomo de espesor.

Una segunda versión del sistema fue desarrollada en la que las metasuperficies están programadas para resonar en diferentes longitudes de onda en diferentes regiones. La técnica es más simple pero también menos precisa en la localización de las moléculas.