Peneliti Princeton telah mengadaptasi teknologi silikon chip yang sama seperti yang kita temukan di dalam PC atau telepon genggam untuk fungsi sebagai biosensor. Teknologi ini menggunakan lapisan kecil logam yang ditanamkan dalam sebuah microchip. Credit: Lingyu Hong. 
Butuh keahlian dan biaya yang tidak sedikit untuk dapat mendiagnosa dengan tepat jenis penyakit apa yang diderita oleh  seorang pasien. Tetapi, para peneliti dari Princeton University baru-baru ini telah mengembangkan teknologi terbaru yang mungkin nantinya bisa menggantikan fungsi laboratorium untuk mendiagnosa penyakit seseorang melalui sebuah microchip.

Sebuah terobosan terbaru tengah dikembangkan yang memungkinkan diagnosa medis melalui sebuah perangkat genggam, para peneliti telah mengadaptasi teknologi yang mirip dengan yang ada pada personal komputer (PC) dan telepon genggam dengan fungsinya sebagai biosensor. Teknologi ini menggunakan lapisan logam yang sangat kecil yang ditanamkan di dalam microchip untuk mengeliminasi penggunaan instrumen optikal yang berukuran besar yang digunakan dalam lab diagnostik. Dan sebagai hasilnya, sistem terbaru yang berukuran sekecil butiran pasir atau garam ini, sudah bisa dipastikan membutuhkan biaya yang jauh lebih sedikit untuk diproduksi dibandingkan dengan sistem diagnostik yang telah ada saat ini.

“Kuncinya adalah dengan menggabungkan sistem optikal yang kompleks ke dalam teknologi chip yang lebih modern,” kata Kaushik Sengupta, asisten Professor bidang ilmu teknik kelistrikan yang juga salah satu dari pimpinan proyek ini. “Semua smartphone bisa dilengkapi dengan kamera canggih berukuran jutaan pixel, lalu bagaimana kami juga bisa mengubahnya menjadi alat yang bisa mendiagnosa dengan kualitas yang setara dengan laboratorium diagnostik?”

Perangkat teknologi biosensor berbasis fluoresensi biasanya terdiri dari beberapa komponen optikal seperti beberapa set filter, lensa dan grating. Semakin sensitif sistem yang terpasang, semakin mahal dan semakin rumit pula pengaturannya.

 “Tujuan kami disini adalah mengadaptasikan sistem biosensor yang kompleks ke dalam teknologi yang serupa tanpa ada perbedaan sama sekali dalam sebuah microchip,” kata Sengupta.

Para peneliti menemukan bahwa lapisan tipis logam yang telah dibuat menjadi sebuah microchip modern ini bisa dengan mudah diadaptasikan untuk mendeteksi adanya cahaya yang tidak biasa ketika melewati sebuah struktur yang lebih kecil dari sebuah panjang gelombang cahaya. Dengan kemampuan seperti ini, akan terdeteksi ribuan kandungan zat biologis mulai dari DNA bakterial hingga hormon. Dan karena sekarang ini microchip modern telah didesain ke dalam bentuk yang sangat kecil, struktur seperti ini sudah bisa dibuat dalam standar teknik manufaktur, kata Sengupta.

Walaupun masih perlu banyak pengembangan lebih lanjut, para peneliti berharap teknologi ini bisa jadi batu loncatan bagi penerapan teknologi sistem diagnostik dalam sebuah pil atau dalam sebuah smartphone.

“Di sini kami menunjukkan untuk pertama kalinya pada tahap ini bahwa manipulasi bidang optik sangat dimungkinkan untuk diterapkan pada sebuah chip silikon. Dengan mengeliminasi semua sistem optik klasik, sistem ini bisa diperkecil hingga anda mulai berfikir untuk memasukkannya ke dalam sebuah pil,” kata Sengupta. “Anda juga bisa memimpikan sebuah sistem diagnostik di dalam tubuh anda dengan cara yang belum pernah terbayangkan sebelumnya.”

Kiri: Kaushik Sengupta, asisten professor bidang tehnik kelistrikan, dan Haw Yang (kanan), professor bidang ilmu kimia, bersama telah mengembangkan teknologi sensor kedalam microchip. [Credit: Frank Wojciechowski]

Dalam dua buah laporannya, yang pertama diterbitkan tanggal 12 September 2018 di Journal ACS Photonics dan yang kedua tanggal 1 November 2018 di dalam Biomedical Optics Express,para peneliti melaporkan bahwa mereka telah mengembangkan sebuah sensor yang bisa mendeteksi molekul seperti DNA dan protein dalam sampel dengan jumlah yang sangat kecil, sekitar satu mikroliter dengan sensitifitas yang setara dengan instrumen di laboratorium diagnostik. (Terdapat 50 mikroliter dalam satu tetes air.)Chip sensor terbaru ini, dengan cara kerja yang sama seperti instrumen lab, dapat mendeteksi molekul target dengan menggunakan zat antibodi kimiawi yang telah didesain agar bereaksi dengan molekul tertentu. Zat antibodi ini dimodifikasi untuk menghasilkan cahaya pada panjang gelombang tertentu (fluoresensi) ketika menemukan target.

Dalam standar laboratorium, zat antibodi ini ditempatkan dalam wadah kecil yang berukuran sebesar kartu remi. Dan untuk merubahnya hingga bisa cukup untuk dimasukkan ke dalam chip berukuran 4 mm persegi, Sengupta dan timnya bekerja sama dengan tim lainnya yang dipimpin oleh Haw Yang, seorang professor bidang ilmu kimia, untuk mengembangkan teknik terbaru dalam mempersiapkan dan mendistribusikan antibodi tersebut. Bekerja sama dalam satu tim yang berasal dari dua lab di Princeton, para peneliti akhirnya bisa mendesain sebuah wadah yang bisa menampung 96 macam sensor antibodi yang sangat kecil sehingga bisa dimasukkan kedalam sebuah chip.

Sama seperti standar laboratorium, ketika wadah sampel terkena sampel, yang biasanya berbentuk cairan, maka zat antibodi akan bereaksi dengan molekul target dengan memancarkan cahaya merah pucat ketika terkena cahaya ultraviolet. Sayangnya, cahaya merah ini terlihat redup bila dibandingkan dengan cahaya ultraviolet yang digunakan sebagai pemicunya. Hal ini adalah salah satu masalah bagi para peneliti.

“Rasio dari cahaya ini sangat menyulitkan,” kata Sengupta. Cahaya yang dihasilkan adalah antara 10 juta hingga 100 juta photon pada target untuk setiap satu photon yang kami dapatkan.”

Biasanya dibutuhkan detektor seukuran meja untuk bisa memuat optik dan lensa yang digunakan untuk memfilter cahaya merah yang sangat kecil ini sehingga bisa terdeteksi. Teknologi terbaru memungkinkan para peneliti untuk memproses cahaya dengan satu lapis logam kecil yang ditanamkan ke dalam sebuah microchip.

“Ketika kita dapat mengkombinasikan sistem optik berskala sangat besar dengan miliaran transistor ke dalam sebuah chip, semua kemungkinan bisa diwujudkan. Dan untuk membuat semua sistem menjadi sangat kecil, kami melakukan segalanya dengan cara yang sama sekali berbeda,” kata Sengupta.

Karena struktur yang sangat kecil ini dibuat di dalam sebuah chip silikon, para peneliti mengatakan bahwa keseluruhan sistem bisa diproduksi secara massal dan tidak membutuhkan perakitan secara detail di dalam lab. Sengupta mengatakan bahwa dia dan timnya berfokus agar bisa mengembangkan alat sensor yang bisa diproduksi secara cepat dan murah.

“Kami berfokus untuk bisa mengembangkan produk diagnostik yang murah,” kata Sengupta, “sehingga nantinya bisa dimanfaatkan di negara-negara berkembang. Dan bukan hanya dapat mendiagnosa penyakit saja. Yang sedang kami kembangkan juga sensor fluoresensi dengan harga murah yang bisa digunakan untuk berbagai hal seperti: monitoring kualitas air dan makanan, monitoring lingkungan hidup, dan berbagai aplikasi industri.”(ikons.id)