Lyskrympende enhed gør det muligt at detektere ultrasmå stoffer

Ingeniører ved University of California San Diego og University of California Berkeley har skabt lysbaseret teknologi, der kan detektere biologiske stoffer med en molekylmasse, der er mere end to størrelsesordener mindre end tidligere muligt. Fremskridtet blev gjort muligt ved at bygge en enhed, der krymper lyset og samtidig udnytter matematiske singulariteter kendt som exceptionelle punkter (EP'er).

Forskningen, udgivet i Naturfysik , kunne føre til udviklingen af ​​ultrafølsomme enheder, der hurtigt kan opdage patogener i menneskeblod og i betydelig grad reducere den tid, det tager for patienter at få resultater fra blodprøver.

"Vores mål er at overvinde de grundlæggende begrænsninger af optiske enheder og afdække nye fysiske principper, der kan muliggøre, hvad der tidligere blev anset for umuligt eller meget udfordrende, " sagde Boubacar Kanté, lektor i elektroteknik og datalogi og fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, som ledede arbejdet, mens han var professor i elektro- og computerteknik ved UC San Diego. "Det, jeg er virkelig begejstret for, er evnen til at implementere sådanne singulariteter i så lille skala. Resultaterne er både fundamentalt spændende og praktisk vigtige."

Lysets bølgelængde er meget større end størrelsen af ​​de fleste biologisk relevante stoffer. For at lys kan interagere kraftigt med disse små stoffer, dens bølgelængde skal reduceres.

Forskerne brugte plasmoner, som er små væsker af elektroniske bølger, der kan bevæge sig frem og tilbage i metalliske nanostrukturer.

Gruppen placerede to plasmoniske nano-antenne-arrays oven på hinanden, hvor hvert array producerede plasmonresonanser, der styrer lysbølger af en bestemt frekvens. Forskerne "koblede" derefter nano-antenne arrays, skubbede de to bølger til at komme sammen, indtil de endelig gav genlyd ved samme frekvens og, mest kritisk, tabt energi i samme hastighed - et øjeblik kendt som det ekstraordinære punkt. Dette var første gang, forskere har brugt EP'er til plasmoner.

Når et eksternt stof kommer i kontakt med EP'en og forstyrrer de synkroniserede mængder af tabt energi, enheden registrerer stoffet med højere følsomhed.

"Mens mange metoder er blevet undersøgt for at gøre biosensorer mere følsomme, at bruge EP'et af koblede plasmoniske nano-antenne-arrays til at øge følsomheden er en unik tilgang. Det ændrer den grundlæggende relation mellem signalet og målkoncentrationen (eller kopitallet) fra en simpel lineær relation til en kvadratrodsligning, hvilket er nøglen til designets enestående følsomhed, " sagde Yu-Hwa Lo, professor i elektrisk og computeringeniør ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og medforfatter på undersøgelsen.

Enheden detekterede anti-immunoglobulin G i blodet, det mest almindelige antistof i humant blod til bekæmpelse af infektion, ved en molekylvægt 267 gange lettere end i tidligere rapporter ved brug af plasmoniske arrays.

Tilføjelse af yderligere plasmoniske arrays til den originale enhed kan også øge følsomheden på EP'en yderligere, sagde Kanté.