Οι επιστήμονες κατασκευάζουν τον πρώτο αυτοφωτιζόμενο βιοαισθητήρα

Οι οπτικοί βιοαισθητήρες χρησιμοποιούν φωτεινά κύματα ως ανιχνευτές για την ανίχνευση μορίων και είναι απαραίτητοι για ακριβή ιατρική διάγνωση, προσωποποιημένη ιατρική και περιβαλλοντική παρακολούθηση.

Η απόδοσή τους ενισχύεται δραματικά όταν μπορούν να εστιάσουν τα φωτεινά κύματα σε νανοκλίμακα – αρκετά μικρή ώστε να ανιχνεύει πρωτεΐνες ή αμινοξέα, για παράδειγμα – χρησιμοποιώντας νανοφωτονικές δομές που «συμπιέζουν» το φως στην επιφάνεια ενός μικροσκοπικού τσιπ.

Όμως, η παραγωγή και ανίχνευση του φωτός για αυτούς τους νανοφωτονικούς βιοαισθητήρες απαιτεί ογκώδη και ακριβό εξοπλισμό, γεγονός που περιορίζει σημαντικά τη χρήση τους σε ταχείες διαγνώσεις ή φορητές εφαρμογές.

Η λύση έρχεται από την κβαντική φυσική

Οπότε, πώς κατασκευάζεις έναν αισθητήρα φωτός χωρίς εξωτερική φωτεινή πηγή; Η απάντηση είναι: με κβαντική φυσική.

Αξιοποιώντας ένα κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται ασύμμεση διέλευση ηλεκτρονίων (inelastic electron tunneling), ερευνητές στο Bionanophotonic Systems Laboratory της Σχολής Μηχανικής του EPFL δημιούργησαν έναν βιοαισθητήρα που απαιτεί μόνο μια σταθερή ροή ηλεκτρονίων-με τη μορφή εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής τάσης-για να φωτίσει και να ανιχνεύσει μόρια ταυτόχρονα.

Η εργασία δημοσιεύθηκε στο Nature Photonics σε συνεργασία με ερευνητές από το ETH Zurich, το ICFO (Ισπανία) και το Yonsei University (Κορέα).

Πώς λειτουργεί η κβαντική διέλευση με εκπομπή φωτονίου

«Αν σκεφτείτε το ηλεκτρόνιο ως κύμα αντί για σωματίδιο, αυτό το κύμα έχει μια ορισμένη, χαμηλή πιθανότητα να “περάσει” στην άλλη πλευρά ενός εξαιρετικά λεπτού μονωτικού φραγμού εκπέμποντας ένα φωτόνιο φωτός. Αυτό που κάναμε ήταν να δημιουργήσουμε μια νανοδομή που ταυτόχρονα αποτελεί μέρος αυτού του μονωτικού φραγμού και αυξάνει την πιθανότητα να λάβει χώρα η εκπομπή φωτός», εξηγεί ο ερευνητής του Bionanophotonic Systems Lab, Mikhail Masharin.

Ανίχνευση σε επίπεδο τρισεκατομμυριοστού του γραμμαρίου

Εν ολίγοις, ο σχεδιασμός της νανοδομής της ομάδας δημιουργεί ακριβώς τις σωστές συνθήκες ώστε ένα ηλεκτρόνιο που κινείται ανοδικά να διαπερνά ένα φραγμό από οξείδιο του αλουμινίου και να φτάνει σε ένα υπέρλεπτο στρώμα χρυσού. Στη διαδικασία, το ηλεκτρόνιο μεταφέρει μέρος της ενέργειάς του σε έναν συλλογικό διεγερτικό μηχανισμό που ονομάζεται πλασμώνιο, το οποίο έπειτα εκπέμπει ένα φωτόνιο.

Ο σχεδιασμός τους εξασφαλίζει ότι η ένταση και το φάσμα αυτού του φωτός αλλάζουν σε επαφή με βιομόρια, οδηγώντας σε μια ισχυρή μέθοδο εξαιρετικά ευαίσθητης, σε πραγματικό χρόνο, χωρίς ετικέτα ανίχνευσης.

«Οι δοκιμές έδειξαν ότι ο αυτοφωτιζόμενος βιοαισθητήρας μας μπορεί να ανιχνεύσει αμινοξέα και πολυμερή σε συγκεντρώσεις πικογραμμαρίων-δηλαδή ένα τρισεκατομμυριοστό του γραμμαρίου-ανταγωνιζόμενος τους πιο προηγμένους αισθητήρες που διατίθενται σήμερα», δηλώνει η επικεφαλής του Bionanophotonic Systems Laboratory, Hatice Altug.

Μια μεταεπιφάνεια διπλής λειτουργίας

Στην καρδιά της καινοτομίας της ομάδας βρίσκεται μια διπλή λειτουργικότητα: το στρώμα χρυσού της νανοδομής τους είναι μια μεταεπιφάνεια, που σημαίνει ότι παρουσιάζει ειδικές ιδιότητες που δημιουργούν τις συνθήκες για κβαντική διέλευση και ελέγχουν την επακόλουθη εκπομπή φωτός.

Αυτός ο έλεγχος είναι εφικτός χάρη στην τοποθέτηση της μεταεπιφάνειας σε ένα πλέγμα χρυσών νανοκαλωδίων, τα οποία λειτουργούν ως «νανοκεραίες» για να συγκεντρώνουν το φως σε όγκους νανομέτρων που απαιτούνται για αποδοτική ανίχνευση βιομορίων.

Νέα στρατηγική για την ενίσχυση της ανίχνευσης

«Η ασύμμεση διέλευση ηλεκτρονίων είναι μια διαδικασία πολύ χαμηλής πιθανότητας, αλλά αν έχετε μια διαδικασία χαμηλής πιθανότητας που συμβαίνει ομοιόμορφα σε μια πολύ μεγάλη επιφάνεια, μπορείτε παρόλα αυτά να συλλέξετε αρκετά φωτόνια. Εδώ επικεντρώσαμε τη βελτιστοποίησή μας και αποδεικνύεται ότι είναι μια πολύ ελπιδοφόρα νέα στρατηγική για την βιοανίχνευση», λέει η πρώην ερευνήτρια του Bionanophotonic Systems Lab και πρώτη συγγραφέας Jihye Lee, που είναι πλέον μηχανικός στη Samsung Electronics.

Συμπαγής, ευαίσθητος και κατάλληλος για φορητές συσκευές

Εκτός από το ότι είναι συμπαγής και ευαίσθητη, η κβαντική πλατφόρμα της ομάδας, που κατασκευάστηκε στο Center of MicroNanoTechnology του EPFL, είναι επεκτάσιμη και συμβατή με μεθόδους κατασκευής αισθητήρων. Λιγότερο από ένα τετραγωνικό χιλιοστό ενεργής επιφάνειας απαιτείται για την ανίχνευση, δημιουργώντας μια συναρπαστική προοπτική για φορητούς βιοαισθητήρες, σε αντίθεση με τις υπάρχουσες επιτραπέζιες διατάξεις.

«Η εργασία μας προσφέρει έναν πλήρως ολοκληρωμένο αισθητήρα που συνδυάζει τη δημιουργία και την ανίχνευση φωτός σε ένα μόνο τσιπ. Με πιθανές εφαρμογές που κυμαίνονται από διαγνώσεις επί τόπου έως την ανίχνευση περιβαλλοντικών ρύπων, αυτή η τεχνολογία αντιπροσωπεύει ένα νέο σύνορο στα υψηλής απόδοσης συστήματα ανίχνευσης», συνοψίζει ο ερευνητής του Bionanophotonic Systems Lab, Ivan Sinev.