High Sensitivity Hemoglobin Biosensing Using a Plus Shaped Gold Metasurface Refractive Index Sensor

In het stille gezoem van een ziekenhuislaboratorium vertelt een druppel bloed vaak een verhaal dat artsen onmiddellijk moeten horen. Een van de meest cruciale personages in dat verhaal is hemoglobine, het eiwit in rode bloedcellen dat zuurstof transporteert. Wanneer de niveaus ervan te laag dalen, signaleert dit anemie; wanneer ze op andere manieren fluctueren, kan dit wijzen op hart- of longproblemen. Traditioneel vereist het meten van dit eiwit het versturen van een monster naar een grote machine in een laboratorium, een proces dat accuraat maar traag en afhankelijk is van omvangrijke apparatuur. Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om deze niveaus direct te meten zonder de noodzaak van chemische labels of markers, door enkel gebruik te maken van de manier waarop licht met het bloed zelf interageert. Dit streven heeft onderzoekers ertoe geleid de wereld van metasurfaces te verkennen, wat ultra-dunne lagen materiaal zijn die gepatroneerd zijn met microscopische vormen. Deze structuren zijn ontworpen om licht te vangen en te concentreren in minuscule ruimtes, waardoor intense interacties ontstaan met de moleculen die zich in de nabijheid bevinden. Door te observeren hoe het licht verandert wanneer het een specifieke substantie raakt, kunnen onderzoekers de aanwezigheid en concentratie van die substantie met opmerkelijke precisie detecteren.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuw ontwerp voorgesteld voor een dergelijke sensor, een ontwerp dat een goudoppervlak gebruikt dat in de vorm van een plusteken is gevormd om hemoglobine te detecteren. De kern van hun uitvinding is een gelaagde structuur die is opgebouwd op basis van een computermodel. Onderaan ligt een basislaag gemaakt van een speciaal materiaal genaamd germanium-antimony-tellurium, dat tussen twee verschillende fysieke toestanden kan schakelen: één die ongeordend is en één die geordend is. Bovenop deze laag bevindt zich een dunne plaat goud, gepatroneerd in een raster van plusteken-resonatoren. Ten slotte fungeert een solide goudlaag als spiegel aan de onderkant om te voorkomen dat licht erdoorheen gaat. De onderzoekers simuleerden hoe deze structuur zou reageren wanneer deze wordt blootgesteld aan hemoglobine in verschillende concentraties, waarbij het bereik gevonden in menselijk bloed werd nagebootst. Ze ontdekten dat de sensor werkt door licht te vangen in de kleine openingen en hoeken van de plustekens, waardoor zones van intense energie ontstaan waar de hemoglobinemoleculen door het licht kunnen worden "gevoeld".

De studie toonde aan dat de prestaties van de sensor sterk afhangen van de staat van het onderliggende materiaal en de precieze dikte van de lagen. Wanneer het basismateriaal zich in zijn kristallijne, geordende staat bevindt, wordt de sensor aanzienlijk gevoeliger dan wanneer het in zijn amorfe, ongeordende staat is. In de simulaties kon de kristallijne versie veranderingen in de eigenschappen van het bloed detecteren met een gevoeligheid van 766,67 nanometer per eenheid brekingsindex, terwijl de amorfe versie 700 nanometer bereikte. De onderzoekers bepaalden dat de sensor het beste werkt wanneer de basislaag 0,6 micrometer dik is en de gegetekende goudlaag 0,3 micrometer dik is. Ze testten ook hoe de sensor reageerde op verschillende lichthoeken en stelden vast dat het ontwerp robuust blijft. De simulaties toonden aan dat naarmate de concentratie hemoglobine toenam, de specifieke kleur van het licht dat de sensor absorbeerde op een voorspelbare manier verschoof, bewegend van een golflengte van 0,902 micrometer naar 0,968 micrometer. Deze verschuiving fungeert als een duidelijk signaal dat de sensor het eiwit detecteert.

De onderzoekers vergeleken hun ontwerp met andere sensoren die eerder zijn gepubliceerd. Hoewel sommige eerdere ontwerpen veranderingen konden detecteren, vertoonde de nieuwe plusteken-vormige gouden metasurface een duidelijk voordeel in haar vermogen om kleinere variaties in concentratie op te merken. Het team merkte op dat de sensor in staat is om tussen verschillende niveaus van hemoglobine te onderscheiden zonder de moleculen te hoeven labelen met fluorescerende kleurstoffen of andere markers. De simulaties van het elektrische veld bevestigden dat het licht intens wordt gefocust bij de randen en hoeken van de plustekens, waardoor "hot spots" ontstaan waar de interactie met het bloed het sterkst is. Deze concentratie van energie stelt de sensor in staat om minuscule veranderingen in de omgeving op te pikken die andere, minder gefocuste ontwerpen mogelijk zouden missen. De studie concludeert dat deze specifieke arrangement van goud en het schakelbare basismateriaal een veelbelovend pad biedt naar het creëren van compacte, snelle medische apparaten. Het werk suggereert dat een dergelijke sensor uiteindelijk zou kunnen worden ontwikkeld tot een instrument voor diagnostiek ter plaatse (point-of-care), waardoor de kracht van complexe laboratoriumanalyse wordt teruggebracht naar een omvang die in een dokterskamer of kliniek past, mits het ontwerp succesvol gebouwd en in de echte wereld getest kan worden.