Оптические биосенсоры используют световые волны в качестве зонда для обнаружения молекул и незаменимы для точной медицинской диагностики, персонализированной медицины и мониторинга окружающей среды. Их эффективность значительно повышается, если они могут фокусировать световые волны до нанометрового масштаба — достаточно малого для обнаружения, например, белков или аминокислот, используя нанофотонные структуры, которые «сжимают» свет на поверхности крошечного чипа. Однако генерация и обнаружение света для этих нанофотонных биосенсоров требуют громоздкого и дорогостоящего оборудования, что сильно ограничивает их использование в условиях быстрой диагностики или оказания медицинской помощи непосредственно у пациента.
Как же создать биосенсор, работающий на основе света, без внешнего источника света? Ответ — с помощью квантовой физики.
Исследователи из лаборатории бионанофотонных систем в Инженерной школе Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали биосенсор, для работы которого требуется только постоянный поток электронов — в виде приложенного электрического напряжения — для освещения и одновременного обнаружения молекул.
Работа опубликована в журнале Nature Photonics в сотрудничестве с исследователями из ETH Zurich, ICFO (Испания) и Йонсейского университета (Корея).
«Если вы думаете об электроне как о волне, а не о частице, то у этой волны есть определённая низкая вероятность „туннелирования“ на другую сторону чрезвычайно тонкого изолирующего барьера с испусканием фотона света. Мы создали наноструктуру, которая является частью этого изолирующего барьера и увеличивает вероятность того, что произойдёт излучение света», — объясняет исследователь лаборатории бионанофотонных систем Михаил Машарин.
Конструкция наноструктуры команды создаёт именно те условия, при которых электрон, проходящий через неё вверх, преодолевает барьер из оксида алюминия и достигает ультратонкого слоя золота. В процессе электрон передаёт часть своей энергии коллективному возбуждению, называемому плазмоном, который затем испускает фотон.
Их конструкция обеспечивает изменение интенсивности и спектра этого света в ответ на контакт с биомолекулами, что приводит к созданию мощного метода для чрезвычайно чувствительного обнаружения в реальном времени без использования меток.
«Испытания показали, что наш самосветящийся биосенсор может обнаруживать аминокислоты и полимеры в пикограммовых концентрациях — это одна триллионная грамма, — что конкурирует с самыми передовыми датчиками, доступными сегодня», — говорит руководитель лаборатории бионанофотонных систем 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 контролируют результирующее излучение света.
Эта возможность контроля стала возможной 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 у вас есть процесс с низкой вероятностью, происходящий равномерно на очень большой площади, вы всё равно можете собрать достаточно фотонов. Именно на этом мы сосредоточили нашу оптимизацию, и оказалось, что это очень перспективная новая стратегия для биосенсинга», — говорит бывший исследователь лаборатории бионанофотонных систем 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, является масштабируемой и совместимой с методами производства датчиков. Для обнаружения требуется менее квадратного миллиметра активной площади, что создаёт захватывающие возможности для портативных биосенсоров, в отличие от нынешних настольных установок.
«Наша работа представляет собой полностью интегрированный датчик, который объединяет генерацию и обнаружение света на одном чипе. С потенциальными приложениями, начиная от диагностики на месте оказания медицинской помощи и заканчивая обнаружением загрязнителей окружающей среды, эта технология представляет собой новый рубеж в области высокопроизводительных сенсорных систем», — резюмирует исследователь лаборатории бионанофотонных систем Иван Синев.