Raziskovalci z Univerze v Exeterju so razvili novo generacijo mikrolaserjev, ki so sposobni zaznati posamezne molekule in celo posamezne atomske ione – kar bi lahko bistveno spremenilo zgodnje odkrivanje bolezni in razvoj medicinske diagnostike.
Študija, objavljena v reviji Nature Photonics, odpira vrata tehnologijam, kot so „laboratoriji na čipu“, kjer bi bilo mogoče hitro analizirati vzorce in postaviti diagnozo skoraj v realnem času.
„Prvič smo ustvarili mikrolaserje, ki zaznavajo materiale na ravni posameznih atomov in molekul,“ je pojasnil fizik Frank Vollmer, vodja raziskave. „To nas približuje napravam, ki bi lahko zelo zgodaj odkrivale bolezni, kot sta rak ali demenca.“
Kako deluje „šepetajoči“ laser
V središču raziskave so izjemno majhne steklene kroglice – mikrolaserji, veliki od približno 0,1 milimetra do komaj stotinke milimetra. Znotraj njih svetloba kroži ob notranji površini, podobno kot zvok v znamenitih „šepetajočih galerijah“, kjer se šepet sliši na drugi strani prostora.
Ta krožeča svetloba je izjemno občutljiva na spremembe. Že najmanjša motnja na površini – denimo vezava ene same molekule – spremeni njen signal.
Takšni mikrolaserji niso povsem nova ideja, vendar so jih raziskovalci že v preteklosti uporabljali tudi v živih celicah kot neke vrste optične oznake za sledenje.
Ključna izboljšava: zaznava na ravni posameznih delcev
Pravi preboj pa je v občutljivosti. Raziskovalna ekipa je mikrolaserje nadgradila tako, da lahko zaznajo posamezne molekule.
Na površino so dodali zlate nanopalice, ki svetlobo skoncentrirajo v izjemno majhne „vroče točke“. Tam se signal močno ojača – dovolj, da zazna vezavo ene same molekule ali iona.
Nato so uporabili še posebno metodo merjenja frekvenčnih sprememb. Namesto da bi merili neposreden premik svetlobe, sistem zazna drobne razlike v frekvenci laserskih valov, ki krožijo v nasprotnih smereh znotraj krogle.
Ta pristop omogoča bistveno bolj natančno zaznavanje, tudi ko so spremembe skoraj nezaznavne.
Kaj to pomeni za diagnostiko
Z možnostjo zaznavanja posameznih molekul se odpira vrsta novih uporab. Ena ključnih je zgodnja diagnostika, kjer bi lahko že zelo majhne spremembe v bioloških vzorcih razkrile začetek bolezni.
„Takšna tehnologija bi lahko omogočila zaznavanje majhnih strukturnih sprememb v beljakovinah,“ je poudaril Vollmer. „To je nekaj, česar danes nobena tehnologija ne omogoča, a je ključno za razumevanje procesov, povezanih z razvojem bolezni.“
Poleg tega bi lahko mikrolaserji omogočili hitrejše testiranje virusov ali drugih patogenov, kar je še posebej pomembno v situacijah, kjer je čas ključnega pomena.
Več signalov, večja zanesljivost
Raziskovalci so natančnost še povečali tako, da so hkrati spremljali več signalov. Če se isti molekularni dogodek pokaže v več meritvah, je rezultat bistveno bolj zanesljiv.
To pomeni, da sistem ne zazna le prisotnosti molekule, temveč jo lahko tudi potrdi z visoko stopnjo zaupanja.
Po besedah soavtorja študije Samirja Vartabija Kashaniana je pomembno vlogo odigrala interdisciplinarna narava raziskave. „Povezovanje fizike, kemije in biologije nam omogoča, da optične inovacije prenesemo v praktične medicinske aplikacije,“ je dejal.
