Kvanttifysiikan avulla itsevalaiseva biosensori

Insinöörit ovat hyödyntäneet kvanttifysiikkaa biomolekyylien läsnäolon havaitsemiseen ilman ulkoista valonlähdettä, mikä on poistanut merkittävän esteen optisten biosensorien käytölle terveydenhuollossa ja ympäristön seurannassa.

Optiset biosensorit käyttävät valoaaltoja luotaimena molekyylien havaitsemiseen ja ovat välttämättömiä tarkassa lääketieteellisessä diagnostiikassa, yksilöllisessä lääketieteessä ja ympäristön seurannassa.

Niiden suorituskyky paranee dramaattisesti, jos ne pystyvät kohdistamaan valoaaltoja nanometrikokoon käyttämällä nanofotonisia rakenteita, jotka "puristavat" valoa pienen sirun pinnalle. Mutta valon tuottaminen ja havaitseminen tällaisissa nanofotonisissa biosensoreissa vaatii kookkaita ja kalliita laitteita, mikä rajoittaa suuresti niiden käyttöä nopeassa diagnostiikassa tai hoitopisteympäristöissä.

Joten miten valoon perustuva biosensori tehdään ilman ulkoista valonlähdettä? Vastaus on: kvanttifysiikan avulla. Valjastamalla kvantti-ilmiötä, jota kutsutaan joustamattomaksi elektronitunneloinniksi, EPFL:n Bionanofotonisten järjestelmien laboratorion tutkijat ovat luoneet biosensorin, joka vaatii vain tasaisen elektronivirran – käytetyn sähköjännitteen muodossa – valaisemaan ja havaitsemaan molekyylejä samanaikaisesti.

”Jos elektronia ajatellaan aaltona hiukkasen sijaan, aallolla on tietty pieni todennäköisyys ’tunneloitua’ erittäin ohuen eristävän esteen toiselle puolelle samalla, kun se emittoi valofotonin. Olemme luoneet nanorakenteen, joka sekä muodostaa osan tästä eristävästä esteestä että lisää valon emission todennäköisyyttä”, selittää Bionanophotonic Systems Labin tutkija Mikhail Masharin.

Lyhyesti sanottuna tiimin nanorakenteen suunnittelu luo juuri oikeat olosuhteet elektronille, joka ylittää alumiinioksidiesteen ja saapuu ultraohueen kultakerrokseen. Prosessissa elektroni siirtää osan energiastaan plamoniherätteeseen, joka sitten emittoi fotonin. Suunnitelma varmistaa, että valon intensiteetti ja spektri muuttuvat vasteena biomolekyylien kosketukseen, mikä johtaa tehokkaaseen menetelmään erittäin herkkään, reaaliaikaiseen ja leimaamattomaan havaitsemiseen.

”Testit osoittivat, että itsevalaiseva biosensorimme pystyy havaitsemaan aminohappoja ja polymeerejä pikogrammapitoisuuksina – se on yksi biljoonasosa grammasta – ja kilpailee nykyään saatavilla olevien edistyneimpien sensoreiden kanssa”, sanoo Bionanophotonic Systems Laboratoryn johtaja Hatice Altug.

Aiheesta aiemmin:

Bioteknisiä siruja ja transistoreita

Grafeenista käytännöllisiä biosensoreita

Bioantureita kuparista ja grafeenioksidista