Nanoskala chip-system måler lys fra en enkelt bakteriecelle for at muliggøre bærbar kemisk detektion

Forskere ved det hebraiske universitet i Jerusalem har skabt et nanofotonisk chipsystem ved hjælp af lasere og bakterier til at observere fluorescens udsendt fra en enkelt bakteriecelle. For at fikse bakterierne på plads og lede lys mod individuelle bakterieceller, de brugte V-rilleformede plasmoniske bølgeledere, bittesmå aluminium-coatede stænger kun titusinder af nanometer i diameter. Det nye system, beskrevet i tidsskriftet Nano Letters, baner vejen for et effektivt og bærbart on-chip-system til forskellige cellebaserede sanseapplikationer, såsom detektering af kemikalier i realtid.

Området med elektroniske chip-chip-apparater til biologiske og kemiske sensingapplikationer præsenterer mange kraftfulde alternativer til konventionelle analytiske teknikker til applikationer lige fra "lab on a chip" til miljøovervågning. Imidlertid, disse sansningsordninger er hovedsageligt afhængige af off-chip-detektion og kræver et besværligt apparat, selv når man kun måler enkelte celler.

Teamet på hebraisk universitet ledte efter måder at integrere alle systemkomponenter, inklusive lyskilder og detektorer, on-chip i nanoskalaen. Dette ville resultere i et lab-on-chip system, der er lille, bærbar og kan udføre sansning i realtid.

For at opnå dette, de molekylært konstruerede levende bakterier, der udsender et fluorescerende signal i nærvær af målforbindelser. De parrede disse on-chip med en nanoskala bølgeleder, som ikke kun tjente formålet med at lede lys, men tillod også mekanisk indfangning af individuelle bakterier i V-rillen.

Under tre forskellige belysningsforhold, de demonstrerede eksperimentelt forhør af en individuel Escherichia coli bakteriecelle ved hjælp af en nanoskala plasmonisk V-rille bølgeleder. Først, de målte lyset fra en bakterie, der flyder oven på nanokobleren i et flydende miljø ved at lade fluorescensen fra bakterien kobles direkte ind i bølgelederen gennem nanokobleren. Næste, en bakterie blev mekanisk fanget i V-rille-bølgelederen og blev exciteret af laser direkte enten fra toppen eller gennem nanokobleren. I alle tilfælde, signifikant fluorescens blev opsamlet fra output nanokobleren ind i detektoren.

Systemet fungerede godt både i våde miljøer, hvor bakterierne flyder oven på bølgelederen, og under tørre forhold, hvor bakterierne er fanget i bølgelederen.

Undersøgelsen blev ledet af prof. Uriel Levy, Direktør for The Harvey M. Krueger Family Center for Nanoscience and Nanotechnology på Hebrew University i samarbejde med Prof. Shimshon Belkin, ved det hebraiske universitet Alexander's Silberman Institute of Life Sciences, der genetisk manipulerede bakteriesensorerne, og prof. Anders Kristensen fra Danmarks Tekniske Universitet, der stod for fremstillingen af ​​bølgelederne med V-rille. Professor Levy er Eric Samson -stolen i anvendt videnskab og teknologi, og prof. Belkin er formand for arbejds- og socialministeriet i industriel hygiejne, ved det hebraiske universitet.

I modsætning til de mere traditionelle plasmoniske bølgeledere bestående af enten sølv eller guld, valget af aluminium var medvirkende til at kunne lede det fluorescerende lys, der udsendes fra bakterierne, helt til output -nanokobleren. Desuden, bølgelederdimensionerne muliggør effektiv mekanisk indfangning af bakterierne, og multimodeegenskaberne kan blive medvirkende til at indsamle flere oplysninger, f.eks., på bakteriernes specifikke position og orientering.

Resultaterne giver en klar indikation af gennemførligheden af ​​at konstruere et hybridt bioplasmonisk system ved hjælp af levende celler. Fremtidens arbejde vil omfatte opførelsen af ​​bølgeledernet, diversificering af systemet til at inkorporere forskellige typer bakterielle sensorer til påvisning af forskellige biologiske eller kemiske analytter.