Επιστήμονες δημιούργησαν τα πρώτα μικρολέιζερ ικανά να ανιχνεύουν μεμονωμένα μόρια, ακόμη και μεμονωμένα ατομικά ιόντα. Αυτό το επίτευγμα, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Photonics από ερευνητές του Living Systems Institute του Πανεπιστημίου του Έξετερ, αναμένεται να φέρει επανάσταση στην έγκαιρη διάγνωση ασθενειών και στις ιατρικές δοκιμές μοριακής κλίμακας μέσω της τεχνολογίας «lab-on-a-chip».
Πώς λειτουργούν τα μικρολέιζερ
Τα μικρολέιζερ είναι μικροσκοπικά γυάλινα σφαιρίδια με μέγεθος που κυμαίνεται από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας έως το μήκος ενός βακτηρίου. Διαθέτουν μια κεντρική κοιλότητα που λειτουργεί ως καθρέφτης, αναγκάζοντας το φως να κινείται κυκλικά γύρω από το σφαιρίδιο. Αυτή η διαδρομή του παγιδευμένου φωτός είναι γνωστή ως τεχνολογία λέιζερ «whispering gallery modes» (WGM). Το φως κυκλοφορεί συνεχώς στο εσωτερικό όριο της σφαίρας, επιτρέποντας στη συσκευή να ανιχνεύει εξαιρετικά μικρές διαταραχές στην επιφάνειά της.
Έγκαιρη διάγνωση και κατανόηση των πρωτεϊνών
Ο καθηγητής Φυσικής Frank Vollmer, επικεφαλής της έρευνας, δήλωσε:
«Για πρώτη φορά δημιουργήσαμε μικρολέιζερ ικανά να ανιχνεύουν υλικά σε κλίμακα μεμονωμένων ατόμων και μορίων. Αυτή η καινοτομία μας φέρνει πιο κοντά σε μια νέα γενιά συσκευών που θα μπορούσαν να διαγνώσουν έγκαιρα παθήσεις όπως ο καρκίνος ή η άνοια».
Η τεχνολογία αυτή επιτρέπει επίσης την ανίχνευση μικρών δομικών αλλαγών στις πρωτεΐνες, οι οποίες σχετίζονται με τη δραστηριότητα των ενζύμων και τη σηματοδότηση των πρωτεϊνών – διαδικασίες που καμία τρέχουσα τεχνολογία δεν μπορεί να καταγράψει.
Ενίσχυση της ευαισθησίας με νανοράβδους χρυσού
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε νανοράβδους χρυσού στην επιφάνεια των μικρολέιζερ, οι οποίες συμπυκνώνουν το φως σε «θερμά σημεία» (hot spots) νανοκλίμακας. Όταν ένα μόριο ή ιόν προσκολλάται σε αυτά τα σημεία, μεταβάλλει ελαφρώς τη συχνότητα των κυμάτων λέιζερ στο εσωτερικό της σφαίρας. Χρησιμοποιώντας μια τεχνική ανίχνευσης «self-heterodyne beatnote», το σύστημα καταγράφει αυτήν τη μικροσκοπική αλλαγή στη συχνότητα αντί να μετρά απευθείας το φως, εξασφαλίζοντας έτσι υψηλή αξιοπιστία και ακρίβεια στην ανίχνευση μοριακών αλληλεπιδράσεων.
Διεπιστημονική συνεργασία για πρακτικές εφαρμογές
Η μελέτη αναδεικνύει τη σημασία της συνεργασίας μεταξύ φυσικών, βιολόγων και χημικών. Ο Δρ. Samir Vartabi Kashanian, συν-συγγραφέας της μελέτης, τόνισε ότι το διεπιστημονικό περιβάλλον του ινστιτούτου είναι απαραίτητο για τη μετατροπή των προόδων της οπτικής φυσικής σε πρακτικές εφαρμογές βιοαισθητήρων που θα ωφελήσουν άμεσα την ιατρική επιστήμη.
