Исследователи Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария), вооружившись фотонным чипом и обычной камерой, смогли посчитать количество и определить положение биомолекул в небольшой выборке. Их новая разработка – ​небольшое фотонное устройство, сочетающее в себе оптические технологии и технологии интеллектуального анализа изображений, что позволяет ему обнаруживать графеновый лист толщиной всего в один атом. По мнению исследователей, такой тип датчиков способен сыграть ключевую роль в развитии персонализированной медицины.

Оптические исследования обладают огромным потенциалом, в том числе с точки зрения развития персонализированной медицины. Оптические датчики, фиксирующие различные параметры световых волн, такие как интенсивность, фаза и поляризация, в будущем должны расширить сферу своего применения.

Одно из направлений персонализированной медицины – ​создание устройств для самостоятельного проведения в домашних условиях анализов крови и слюны на наличие нежелательных биомаркеров, что позволит предупреждать развитие серьезных заболеваний на ранних стадиях. С целью развития данного направления в Лаборатории бионанофотонных систем Федеральной политехнической школы Лозанны разработали новое устройство, состоящее из ультратонкого миниатюрного оптического чипа, стандартной КМОП-камеры и системы анализа изображений. Устройство способно подсчитывать количество биомолекул в выбранном образце и определять их местоположение.

В исследовании были использованы метаповерхности, представляющие собой новое активно развивающееся направление фотоники. Метаповерхности – ​это листы искусственных материалов, покрытые миллионами расположенных специальным образом наноразмерных элементов. На определенной частоте наноразмерные элементы способны сжимать свет до очень маленьких объемов, создавая сверхчувствительные оптические горячие точки. Когда свет падает на метаповерхность и попадает на горячую точку, происходит мгновенное обнаружение биомолекулы в случае ее наличия. О присутствии биомолекулы в горячей точке судят по изменению длины световой волны, поступающей на метаповерхность.

В ходе экспериментов с новым устройством исследователи Федеральной политехнической школы Лозанны направляли на метаповерхности свет разного цвета и фиксировали полученный результат с помощью КМОП-камеры. В итоге было подсчитано количество содержащихся в образце биомолекул и получена точная информация о происходящих процессах с помощью сенсорного чипа. Для исследования КМОП-снимков, состоящих из миллионов пикселей, применялись интеллектуальные инструменты анализа данных. Новая разработка способна обнаруживать и отображать не только отдельные биомолекулы в горячих точках, но и графеновые листы толщиной в один атом.

Исследователями предложена еще одна версия устройства, отдельные участки метаповерхностей которой запрограммированы на резонанс со световыми волнами определенных длин. Здесь была применена более простая технология, при этом снизилась точность определения местоположения молекул.

At-home Disease Detection Made Possible with Photonics. Novus Light Technologies Today, April 4, 2019: https://www.novuslight.com/at-home-disease-detection-made-possible-with-photonics_N9176.html