Ultrafølsomme magnetoplasmoniske sensorer

Systemer, der tillader mærkefri påvisning på molekylært niveau, forventes at have enorm indflydelse på biokemiske videnskaber. Forskning fokuserer på materialer og teknologier baseret på at udnytte koblingen af ​​lys med elektroniske ladningssvingninger, de såkaldte lokaliserede overfladeplasmonresonanser, i metalliske nanostrukturerede antenner. Årsagen til denne fokuserede opmærksomhed er deres egnethed til enkelt-molekyle sensing, som følge af det iboende nanoskopiske sansevolumen og den høje følsomhed over for det lokale miljø. Normalt er de metaller, der bruges til at bygge sådanne nanoantenner, guld eller sølv. At koble lys effektivt til lokaliserede plasmoner med ferromagnetiske metaller som nikkel eller kobolt blev i lang tid i praksis anset for umuligt.

For et par år siden viste et samarbejde mellem nanomagnetisme- og nanooptikgrupperne i nanoGUNE, at ferromagnetiske nanoantenner understøtter lokaliserede plasmoner, og, på samme tid, viser en betydelig magneto-optisk aktivitet under påføring af eksterne magnetiske felter. Ideen om at bringe lys og magnetisme sammen på nanoskala ved hjælp af plasmoner førte, i det seneste årti, til det hastigt voksende felt for magnetoplasmonik for at realisere nye og uventede fænomener og funktionaliteter til manipulation af lys- og/eller spintilstande på nanoskala.

Nu, et team af forskere fra CIC nanoGUNE, i samarbejde med forskere fra Chalmers Tekniske Universitet og Göteborgs Universitet, har opdaget en ny måde at optisk sansning på, ved hjælp af de magneto-optiske Kerr- og Faraday-effekter i ferromagnetiske nanoantenner. De har for nylig vist i et værk udgivet i Naturkommunikation hvordan designet fasekompensation i magnetoplasmoniske nanostrukturers elektromagnetiske respons gør dem i stand til at fungere som ultrafølsomme mærkefrie molekylære sensorer med høje værdier, dvs. fremragende sansepræstationer med ekstraordinært signal/støjforhold. Mest bemærkelsesværdigt, de har vist en rå overfladefølsomhed (dvs. uden at anvende nogen tilpasningsprocedurer) af to størrelsesordener højere end de aktuelle værdier rapporteret for nanoplasmoniske sensorer. En sådan følsomhed svarer til en masse på 0,8 ag pr. nanoantenne af polyamid-6,6, som er repræsentativ for en lang række polymerer, peptider, og proteiner. Dette proof of concept åbner vejen for design af en ny type praktiske enheder, som kan aktiveres og styres magnetisk for at opnå meget høje sanseydelser op til et submolekylært niveau.

Opdagelsen af ​​disse ultrafølsomme egenskaber er primært rettet mod biomedicin og diagnostik som en effektiv måde at hente mere information fra mindre mængder væsker, blod eller urin samt til at påvise kræftserum eller til at studere proteiners dynamik ved overfladefunktionalisering. Ud over biosensing, der er også mange andre potentielle applikationer, der ikke kræver overfladefunktionalisering og ville have stor gavn af denne nye tilgang, som kemisk registrering af giftige materialer og sprængstoffer, eller ultra-præcise tykkelsesovervågningsapplikationer.