Ученые из Лозаннской политехнической школы (EPFL) вместе с коллегами из Швейцарии, Испании и Южной Кореи совершили прорыв в области оптических биосенсоров, разработав компактное устройство, которое не требует внешнего источника света для обнаружения молекул. Исследование об этом опубликовано в журнале Nature Photonics.
Благодаря использованию квантового эффекта — неупругого туннелирования электронов — новая система может одновременно генерировать свет и детектировать молекулы, открывая путь к компактным, недорогим и сверхчувствительным сенсорам.
Оптические биосенсоры давно используются в медицине и экологии для точного анализа биомолекул. Их ключевая задача — сфокусировать свет до нанометрового масштаба, чтобы распознавать мельчайшие объекты вроде белков или аминокислот. Однако классические системы требуют громоздких и дорогостоящих лазеров и детекторов, что ограничивает их применение в реальных условиях, например, в полевых или портативных устройствах.
Команда из лаборатории бионанофотонных систем EPFL создала сенсор, использующий стабильный поток электронов (электрическое напряжение) для генерации света и обнаружения биомолекул. Когда электрон «туннелирует» через тонкий слой оксида алюминия и попадает на слой золота, часть его энергии превращается в плазмон — коллективное возбуждение электронов, которое затем испускает фотон.
Инновационная структура сенсора усиливает вероятность этого события и одновременно контролирует спектр излучения. Свет, возникающий при туннелировании, изменяется при взаимодействии с молекулами, что позволяет определить их наличие и концентрацию.
Тесты показали, что устройство способно обнаруживать аминокислоты и полимеры при концентрации до одного пикограмма (одна триллионная грамма). Это ставит новый сенсор в один ряд с самыми передовыми методами биодетекции, при этом он значительно компактнее и проще в производстве.
Ключом к успеху стало использование «метаповерхности» из золотых нанопроводов — наноструктуры, которая не только запускает туннелирование, но и действует как сеть антенн, концентрирующих свет на микроскопическом уровне.
Новое устройство — это полностью интегрированная платформа, объединившая генерацию и детекцию света в одном чипе. Оно совместимо с современными технологиями массового производства и может применяться в портативных приборах для диагностики, мониторинга загрязнений или анализа биологических жидкостей.
Ранее Наука Mail рассказывала, что в мире может появиться очень дешевый белковый сенсор для лабораторных исследований.