Nye fremskridt inden for nanofotonik har potentiale til at forbedre lysbaserede biosensorer

Da COVID-19 fejede ind over hele verden i år, krævede hundredtusindvis af liv, det blev hurtigt klart, at en væsentlig faktor for at kontrollere spredningen er evnen til hurtigt og præcist at teste for den virus, der forårsager den, SARS-CoV-2, samt de antistoffer, den producerer.

Nu, forskere fra University of New Mexico og Autonomous University of Madrid (UAM) i Spanien har offentliggjort en ny undersøgelse, som de siger kunne bidrage til hurtigere og mere effektiv testning for virus som SARS-CoV-2. Deres arbejde, med titlen "Super- og Subradient Lattice Resonances in Bipartite Nanoparticle Arrays, " blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Ledet af adjunkt Alejandro Manjavacas fra Theoretical Nanophotonics Group på UNM Institut for Fysik og Astronomi, og Antonio Fernańdez-Domínguez fra UAM, værket falder ind under nanofotonikkens område, feltet, der studerer vekselvirkningerne mellem lys og objekter, der har størrelser i størrelsesordenen hundredvis af nanometer. Til reference, tykkelsen af ​​et menneskehår er cirka 40, 000 nm, mens størrelsen af ​​den virus, der forårsager COVID-19, er 125 nm.

Mange anvendelser af nanofotonik, inklusive ultrasensitiv biosensing, som er nødvendig for at opdage vira som SARS-CoV-2, og nanoskala lasering, som kan bruges til at producere sammenhængende lys af en ønsket farve, stole på systemer, der kun reagerer på et meget snævert udvalg af farver, eller, med andre ord, lysets bølgelængder. En måde at designe systemer med spektralt snævre responser som denne er at drage fordel af de kollektive interaktioner mellem en samling af metalliske nanopartikler, små strukturer med nanoskala dimensioner, arrangeret på en ordnet måde kaldet en periodisk array.

I undersøgelsen, forskerne så specifikt på periodiske arrays, der indeholder nanopartikler af to forskellige størrelser, snarere end mere almindelige arrangementer, der har helt ensartede.

"Samspillet mellem de to forskellige nanopartikler giver anledning til endnu snævrere responser end arrays med partikler af kun én størrelse, " siger Alvaro Cuartero-González, en kandidatstuderende fra UAM og hovedforfatter af papiret. "Og, som en ekstra bonus, det gør dem mere robuste over for fabrikationsfejl, så arrays med den ønskede respons lettere kan bygges i laboratorier."

Denne øgede robusthed kan gøre en enorm forskel, når det kommer til masseproduktion af tests eller andre enheder, der udnytter disse systemers optiske respons.

Dette spændende arbejde involverede en kombination af semi-analytiske beregninger og strenge numeriske simuleringer, udført gennem et synergistisk samarbejde mellem tre kandidatstuderende Cuartero-González, der besøgte UNM mellem september 2019 og februar 2020, samt Stephen Sanders og Lauren Zundel, både fra UNM Institut for Fysik og Astronomi.

"Vores semi-analytiske forudsigelser giver indsigt i fysikken bag vores resultater, mens de numeriske beregninger hjalp med at bekræfte deres gyldighed, " sagde Sanders om arbejdet. "Nøglen til at forstå systemets robusthed kommer fra vores beregninger for endelige systemer, " tilføjede Zundel.

"At kombinere ekspertisen fra de to grupper var afgørende for dette arbejdes succes, " sagde Manjavacas om samarbejdet.

Fernández-Domínguez er enig, tilføjer, "Jeg håber, at dette kun er begyndelsen på mange samarbejder mellem os."