Оптические биосенсоры используют световые волны для обнаружения молекул и играют важную роль в точной медицинской диагностике, персонализированной медицине и мониторинге окружающей среды. Их эффективность значительно повышается, если удаётся сфокусировать световые волны до нанометровых масштабов — достаточно малых для обнаружения белков или аминокислот, например — с помощью нанофотонных структур, которые «сжимают» свет на поверхности крошечного чипа. Однако генерация и обнаружение света для таких нанофотонных биосенсоров требуют громоздкого и дорогостоящего оборудования, что сильно ограничивает их использование в условиях быстрой диагностики или оказания помощи на месте.
Как же создать биосенсор, работающий на основе света, без внешнего источника света? Ответ — с помощью квантовой физики.
Исследователи из лаборатории бионанофотоники в Инженерной школе Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали биосенсор, для работы которого требуется только постоянный поток электронов — в виде приложенного электрического напряжения — для подсветки и одновременного обнаружения молекул.
Работа опубликована в журнале Nature Photonics в сотрудничестве с исследователями из Цюрихского университета ETH, ICFO (Испания) и Университета Йонсей (Корея).
«Если представить электрон в виде волны, а не частицы, то у этой волны есть определённая низкая вероятность „туннелирования“ на другую сторону чрезвычайно тонкого изолирующего барьера с испусканием фотона света. Мы создали наноструктуру, которая одновременно является частью этого изолирующего барьера и увеличивает вероятность излучения света», — объясняет исследователь лаборатории бионанофотоники Михаил Машарин.
Конструкция наноструктуры создаёт именно те условия, при которых электрон, проходящий через неё вверх, может преодолеть барьер из оксида алюминия и достичь ультратонкого слоя золота. В процессе электрон передаёт часть своей энергии коллективному возбуждению, называемому плазмоном, который затем испускает фотон.
Их конструкция гарантирует, что интенсивность и спектр этого света изменяются в ответ на контакт с биомолекулами, что приводит к созданию мощного метода для чрезвычайно чувствительного обнаружения в реальном времени без меток.
«Испытания показали, что наш самосветящийся биосенсор может обнаруживать аминокислоты и полимеры в пикограммовых концентрациях — это одна триллионная грамма — конкурируя с самыми передовыми датчиками, доступными сегодня», — говорит руководитель лаборатории бионанофотоники Хатидже Алтуг.
В основе инновации команды лежит двойная функциональность: золотой слой наноструктуры является метаповерхностью, то есть обладает особыми свойствами, которые создают условия для квантового туннелирования, и контролирует результирующее излучение света.
Эта возможность контроля достигается благодаря расположению метаповерхности в виде сетки из золотых нанопроволок, которые действуют как «наноантенны» для концентрации света в нанометровых объёмах, необходимых для эффективного обнаружения биомолекул.
«Неупругое электронное туннелирование — это процесс с очень низкой вероятностью, но если такой процесс происходит равномерно на очень большой площади, можно всё равно собрать достаточно фотонов. Именно на этом мы сосредоточили нашу оптимизацию, и это оказалось очень многообещающей новой стратегией для биосенсинга», — говорит бывший исследователь лаборатории бионанофотоники и первый автор Джихе Ли, ныне инженер в Samsung Electronics.
Помимо компактности и чувствительности, квантовая платформа команды, изготовленная в Центре микро- и нанотехнологий Федеральной политехнической школы Лозанны, масштабируема и совместима с методами производства датчиков. Для обнаружения требуется менее квадратного миллиметра активной области, что создаёт захватывающие возможности для ручных биосенсоров, в отличие от современных настольных установок.
«Наша работа представляет собой полностью интегрированный датчик, который объединяет генерацию и обнаружение света на одном чипе. Эта технология представляет собой новый рубеж в высокопроизводительных сенсорных системах», — подытоживает исследователь лаборатории бионанофотоники Иван Синев.