Infrared Metasurface Augmented by Deep Learning for Monitoring Dynamics between All Major Classes of Biomolecules

生物分子 纳米技术 等离子体子 材料科学 微流控 深度学习 计算机科学 生物系统 生物 人工智能 光电子学
作者
Aurelian John‐Herpin,Deepthy Kavungal,Lea von Mücke,Hatice Altug
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (14) 被引量:97
标识
DOI:10.1002/adma.202006054
摘要

Insights into the fascinating molecular world of biological processes are crucial for understanding diseases, developing diagnostics, and effective therapeutics. These processes are complex as they involve interactions between four major classes of biomolecules, i.e., proteins, nucleic acids, carbohydrates, and lipids, which makes it important to be able to discriminate between all these different biomolecular species. In this work, a deep learning-augmented, chemically-specific nanoplasmonic technique that enables such a feat in a label-free manner to not disrupt native processes is presented. The method uses a highly sensitive multiresonant plasmonic metasurface in a microfluidic device, which enhances infrared absorption across a broadband mid-IR spectrum and in water, despite its strongly overlapping absorption bands. The real-time format of the optofluidic method enables the collection of a vast amount of spectrotemporal data, which allows the construction of a deep neural network to discriminate accurately between all major classes of biomolecules. The capabilities of the new method are demonstrated by monitoring of a multistep bioassay containing sucrose- and nucleotides-loaded liposomes interacting with a small, lipid membrane-perforating peptide. It is envisioned that the presented technology will impact the fields of biology, bioanalytics, and pharmacology from fundamental research and disease diagnostics to drug development.
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