Cientistas desenvolveram um sensor óptico inovador que combina alta sensibilidade com portabilidade para detecção de doenças. A tecnologia, publicada na revista Nature Photonics, permite identificar biomarcadores em concentrações extremamente baixas, podendo ser utilizada em clínicas menores, regiões remotas ou pontos de atendimento.
O sensor opera através de um mecanismo chamado sensing modulador de fator Q radiativo. Em vez de apenas rastrear o deslocamento do comprimento de onda de ressonância, o sistema converte pequenas perturbações no índice de refração causadas por biomoléculas em mudanças significativas na intensidade óptica e largura de linha. Isso resulta em uma resposta óptica mais forte e um sinal elétrico mais direto.
Para implementar essa tecnologia, os pesquisadores criaram uma metassuperfície tridimensional de estados-limite no contínuo baseada em BIC. A estrutura tridimensional é essencial, pois permite controlar a radiação de luz enquanto mantém a geometria plana estável e fabricável. As metassuperfícies foram produzidas usando litografia baseada em alumínio em wafers de 8 polegadas, permitindo uma produção em escala.
O sistema de foto-detecção compacto não requer espectrômetro. Em vez de registrar um espectro óptico completo, o utiliza um LED, um fotodetector e o chip de metassuperfície para converter diretamente a resposta óptica em sinal elétrico. Essa simplificação torna o instrumento compatível com sistemas de diagnóstico portáteis.
Apesar de seu tamanho reduzido, o sistema alcançou uma sensibilidade fotoeletrônica de 3,3 × 10⁴ mV por unidade de índice de refração e um limite de detecção de até 10⁻⁶ unidades. Praticamente, isso significa que o sensor pode detectar uma mudança óptica tão pequena quanto o índice de refração da água mudando de 1,333000 para 1,333001.
Os pesquisadores aplicaram a plataforma para detectar pequenas vesículas extracelulares associadas ao câncer de pulmão. Usando o sistema de sensing modulador de fator Q, eles identificaram vesículas em concentrações tão baixas quanto 24 attomolares (24 aM) em apenas 15 minutos, representando uma melhoria de sensibilidade de 10.000 vezes em comparação com ensaios imunológicos padrão.
Em testes com 171 amostras de soro humano, a plataforma demonstrou desempenho robusto na distinção de amostras de câncer de pulmão inicial de controles saudáveis. Sua área sob a curva ROC atingiu até 94,9%. O sistema também mostrou resultados promissores para monitoramento pós-operatório, com AUC de 92,1%.
A pesquisa foi liderada pelo Dr. Liaoyong Wen, associado titular da Westlake University. Seu trabalho inclui a fabricação inteligente de metamateriais multiscale 3D e sua aplicação em biossensores e dispositivos optoeletrônicos.
Esta combinação de nova física óptica, fabricação nanométrica escalável e integração de sistema compacta representa um avanço significativo na área de biossensores. A tecnologia poderia revolucionar a detecção precoce de doenças, especialmente em áreas com recursos limitados, permitindo diagnósticos mais rápidos e precisos.
Os detalhes da pesquisa foram publicados no artigo Ultrasensitive biosensing by radiative Q-factor modulation in strongly coupled three-dimensional bound-state-in-the-continuum metasurfaces na revista Nature Photonics. O trabalho demonstra como a perda de radiação, frequentemente tratada como um problema em sensing óptico, pode ser projetada como uma fonte útil de amplificação de sinal.
Leia mais sobre o assunto na phys.org.
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