Senzori optici care „ascultă” particulele din lichide, dincolo de suprafața de detectare
Cercetătorii de la Universitatea Washington din St. Louis au dezvoltat o metodă care extinde capacitatea de detectare a senzorilor optici bazați pe moduri de galerie șoptită (whispering-gallery-mode, WGM) dincolo de suprafața imediată a dispozitivului, păstrând sensibilitatea extremă care i-a făcut celebri. Rezultatele au fost publicate în revista Light: Science & Applications.
Majoritatea senzorilor optici fără marcaje funcționează doar atunci când particulele țintă trec foarte aproape de o zonă minusculă de detectare sau se leagă de aceasta. La concentrații mici, multe particule nu ajung niciodată în acel punct, iar semnalele lor pot fi copleșite de zgomotul de fond. Limita este comună multor microsenzori optici, inclusiv rezonatoarelor WGM, care pot detecta nanoparticule și molecule individuale cu precizie excepțională, dar numai în imediata apropiere a suprafeței.
Noua strategie combină lumina și sunetul printr-un proces fotoacustic. O particulă aflată în curgere, lovită de un scurt impuls laser, absoarbe lumina, se încălzește și se dilată rapid. Dilatarea generează o undă acustică ce poartă informații despre dimensiune, formă și compoziție. Undele sonore sunt detectate de rezonatorul optic WGM, care le transformă în semnale optice măsurabile. Astfel, sistemul poate detecta și caracteriza particule pe o regiune mult mai mare, fără marcaje.
Dispozitivul a fost construit într-un capilar de sticlă prin care curg probele. O porțiune a capilarului este extinsă într-o microbulă ce susține modurile optice WGM, iar peretele bulei este controlat astfel încât lumina rămâne confinată în sticlă, fără să se suprapună cu proba în curgere. Această configurație păstrează sensibilitatea optică ridicată și permite funcționarea în fluide complexe, inclusiv în sânge integral, unde împrăștierea și absorbția puternică a luminii îngreunează metodele optice convenționale.
Pentru demonstrație, echipa a analizat probe de sânge integral de la cinci specii de animale. Diferențele dintre celulele sanguine sunt adesea subtile și greu de distins din semnăturile spectrale complexe, astfel că cercetătorii au folosit metode de învățare automată, dezvoltate împreună cu specialiști în inteligență artificială, pentru clasificarea semnalelor.
„Ceea ce mă entuziasmează cel mai mult la această platformă este combinația de simplitate și robustețe”, a declarat Jie Liao, cercetător postdoctoral și coautor principal al studiului. „Nu avem nevoie de măsurători de referință continue sau de scăderi complexe de fond pentru a o menține stabilă.”
Potrivit echipei, abordarea ar putea deschide noi aplicații în diagnosticarea precoce, testarea la punctul de îngrijire, monitorizarea mediului și bioanaliză. Detectarea țintelor rare, precum celulele tumorale circulante, rămâne o provocare majoră, mai ales în fluide biologice complexe, unde concentrația extrem de mică face nepractică metodele care depind de legarea celulelor la o zonă minusculă de detectare.
„Într-o probă de sânge, cum garantezi că celulele tumorale se vor lega de senzor când concentrația lor este extrem de scăzută, mai ales în stadiile incipiente ale bolii?”, a declarat Lan Yang, profesor la Departamentul de Inginerie Electrică și Sisteme din cadrul McKelvey School of Engineering. „Această întrebare ne-a motivat să dezvoltăm o abordare care nu necesită contact direct între țintă și senzor.”
