Итак, как вы создаете биосенсор на основе света без внешнего источника света? Ответ таков: с помощью квантовой физики. Используя квантовое явление, называемое неупругим туннелированием электронов, исследователи из лаборатории бионанофотонных систем инженерной школы EPFL создали биосенсор, которому требуется только постоянный поток электронов - в виде приложенного электрического напряжения - для одновременного освещения и обнаружения молекул.

"Если вы думаете об электроне как о волне, а не как о частице, то у этой волны есть определенная низкая вероятность "туннелирования" на другую сторону чрезвычайно тонкого изолирующего барьера, испуская при этом фотон света. Что мы сделали, так это создали наноструктуру, которая одновременно является частью этого изолирующего барьера и увеличивает вероятность того, что произойдет излучение света", - объясняет научный сотрудник Лаборатории бионанофотонных систем Михаил Машарин.

Обнаружение с точностью до триллионной доли грамма

Короче говоря, дизайн наноструктуры команды создает как раз подходящие условия для того, чтобы электрон, проходя через нее вверх, преодолел барьер из оксида алюминия и достиг ультратонкого слоя золота. В процессе электрон передает 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 чрезвычайно чувствительного обнаружения без меток в режиме реального времени.

"Тесты показали, что наш самосветящийся биосенсор может обнаруживать аминокислоты и полимеры в пикограммовых концентрациях - это одна триллионная грамма - соперничая с самыми передовыми датчиками, доступными на сегодняшний день", - говорит руководитель лаборатории бионанофотонных систем Хатидже Алтуг.

Работа была опубликована в журнале Nature Photonics в сотрудничестве с исследователями из ETH Zurich, ICFO (Испания) и Университета Йонсей (Корея).

Метаповерхность двойного назначения

В основе инноваций команды лежит двойная функциональность: слой золота в их наноструктуре является метаповерхностью, что означает, что он обладает особыми свойствами, которые создают условия для квантового туннелирования и контролируют результирующее излучение света. Такой контроль стал возможен благодаря расположению метаповерхности в виде сетки из золотых нанопроволок, которые действуют как "наноантенны", концентрируя свет в нанометровых объемах, необходимых для эффективного обнаружения биомолекул.

"Неупругое туннелирование электронов - это процесс с очень низкой вероятностью, но если у вас есть процесс с низкой вероятностью, происходящий равномерно на очень большой площади, вы все равно можете собрать достаточное количество фотонов. Именно на этом мы сосредоточили нашу оптимизацию, и оказалось, что это очень многообещающая новая стратегия биосенсорики", - говорит бывший исследователь лаборатории бионанофотонных систем и первый автор Джихай Ли, ныне инженер в Samsung Electronics.

Квантовая платформа команды, изготовленная в Центре микронанотехнологий EPFL, не только компактна и чувствительна, но и масштабируема и совместима с методами изготовления датчиков. Для зондирования требуется менее квадратного миллиметра активной площади, что создает захватывающие возможности для портативных биосенсоров, в отличие от современных настольных установок.

"Наша работа позволяет создать полностью интегрированный датчик, который сочетает в себе генерацию света и обнаружение на одном чипе. С потенциальными приложениями, варьирующимися от диагностики на месте оказания медицинской помощи до обнаружения загрязнений окружающей среды, эта технология представляет собой новый рубеж в области высокопроизводительных сенсорных систем", - резюмирует научный сотрудник лаборатории бионанофотонных систем Иван Синев.