利用光子学进行家庭疾病检测

在不久的将来，我们每个人都可能拥有一个简单的设备 - 足够小的床头柜或口袋 - 让我们了解我们的健康水平，甚至可以识别我们血液中的微量不良生物标记物或唾液和作为疾病的预警系统。这是个性化医疗的承诺之一。

由于EPFL BioNanoPhotonic Systems(BIOS)实验室的研究人员开发的强大工具，这一技术革命可能更近一步。它由超薄和小型光学芯片组成，当与标准CMOS相机配合使用并通过图像分析提供动力时，能够在样品中逐个计数生物分子并确定其位置。他们的研究发表在Nature Photonics上。

一个非常强大的传感器

这项开创性的技术基于元表面 - 光子学领域的冉冉升起的新星。超颖表面是由数百万纳米尺寸元素覆盖的人造材料片，以特殊方式排列。在一定频率下，这些元素能够将光线挤压成极小的体积，从而形成超灵敏的光学“热点”。当光照射在表面上并撞击其中一个热点处的分子时，立即检测到分子。事实上，分子通过改变撞击它的光的波长来消除它自己。

扫描分子并拍摄照片

通过在表面上使用不同颜色的灯并每次使用CMOS相机拍照，研究人员能够计算样品中的分子数量并准确了解传感器芯片上发生的情况。“然后我们使用智能数据科学工具来分析通过这个过程获得的数百万个CMOS像素并识别趋势，”该文章的第一作者Filiz Yesilkoy说。“我们已经证明，我们不仅可以检测和成像热点上的单个生物分子，还可以检测出仅有一个原子厚度的单个石墨烯片。”

将他们的工作向前推进了一步，研究人员开发了他们系统的第二个版本，其中元曲面被编程为在不同区域的不同波长下产生共振。“这种技术更简单，但在定位分子方面也不太精确，”该文章的共同作者之一Eduardo R. Arvelo说。

疾病检测中的游戏改变者？

管理BIOS实验室并领导该项目的Hatice Altug看到了光学领域的巨大潜力。“光具有许多属性 - 例如强度，相位和极化 - 并且能够穿越空间。这意味着光学传感器可以在应对未来挑战方面发挥重要作用 - 特别是在个性化医疗方面。”