Zelfverlichte sensor heeft geen lichtbron nodig en is klein

Nanotechnologie

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 07/03/2025

Illustratie van de zelfverlichtende biosensor: een metasurface ontvangt elektriciteit en veroorzaakt kwantumemissie van licht, waardoor de resulterende lichtgolven worden gefocust om biomoleculen te detecteren. [Afbeelding: Ella Maru Studio/BIOS EPFL]

Zelfverlichte sensor

Wanneer we moleculen moeten detecteren, bijvoorbeeld voor experimenten of in klinische laboratoria waar medische tests worden uitgevoerd, gebruiken we kleine apparaatjes die optische biosensoren worden genoemd. Deze gebruiken lichtgolven als sonde om verschillende moleculen te identificeren.

Idealiter zouden deze sensoren lichtgolven kunnen focussen tot op nanometerschaal, een schaal die klein genoeg is om bijvoorbeeld eiwitten of aminozuren te detecteren. Dit is mogelijk met behulp van nanofotonische structuren die licht comprimeren op het oppervlak van een kleine chip, maar er is een probleem: het ding is groot, zwaar en duur – geschikt voor grote laboratoria.

Maar de technologie om biosensoren betaalbaar en draagbaar te maken, komt nu terecht bij Jihye Lee en zijn collega's van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland. Zij hebben ontdekt hoe ze een lichtgebaseerde biosensor kunnen maken zonder externe lichtbron, en dat is wat het apparaat echt bijzonder maakt.

Door gebruik te maken van een kwantumfenomeen genaamd inelastische elektronentunneling, hebben onderzoekers een biosensor ontwikkeld die slechts een constante stroom elektronen nodig heeft – zonder externe fotoneninput – om moleculen tegelijkertijd te verlichten en te detecteren. Dit noemen ze 'kwantumlichtemissie'.

"Als we een elektron als een golf beschouwen, in plaats van als een deeltje, is de kans dat deze golf naar de andere kant van een extreem dunne isolerende barrière 'tunnelt' en daarbij een foton licht uitzendt, relatief klein. Wat we hebben gedaan, is een nanostructuur creëren die deel uitmaakt van deze isolerende barrière en de kans op lichtemissie vergroot", aldus professor Mikhail Masharin.

De biosensor op een chip werkt door licht uit te zenden dat wordt geactiveerd door kwantumtunneling van elektronen. [Afbeelding: Jihye Lee et al. - 10.1038/s41566-025-01708-y]

Detectie van een biljoenste gram

De nanostructuur die het team creëerde, creëert de ideale omstandigheden voor een elektron om door een aluminiumoxidebarrière te dringen en een ultradunne goudlaag te bereiken. Op deze manier draagt ​​het elektron een deel van zijn energie over aan een collectieve excitatie, een plasmon genaamd, die vervolgens een foton uitzendt.

De kern van de innovatie is dat de goudlaag van de nanostructuur een metasurface is, ontworpen om elektromagnetische golfmanipulatie-eigenschappen te vertonen die de omstandigheden voor kwantumtunneling optimaliseren en de resulterende lichtemissie controleren. Deze controle wordt mogelijk gemaakt door de metasurface te rangschikken op een netwerk van gouden nanodraden, die als " nanoantennes " fungeren om licht te concentreren in de nanometrische volumes die nodig zijn om biomoleculen efficiënt te detecteren.

Het ontwerp zorgt ervoor dat de intensiteit en het spectrum van het gegenereerde licht veranderen als reactie op contact met biomoleculen. Dit resulteert in een krachtige methode voor extreem gevoelige detectie in realtime, zonder dat er afhankelijk is van labels of kleurstoffen in het monster.

"Uit testen is gebleken dat onze zelfverlichtende biosensor aminozuren en polymeren kan detecteren in concentraties van picogrammen (een biljoenste van een gram). Daarmee kan hij concurreren met de meest geavanceerde sensoren die momenteel beschikbaar zijn", aldus teamlid Hatice Altug.

Het platform is niet alleen compact en gevoelig, maar ook schaalbaar en compatibel met de huidige sensorproductietechnieken. Minder dan een vierkante millimeter actief oppervlak is voldoende voor detectie, wat een veelbelovende mogelijkheid biedt voor draagbare biosensoren, in tegenstelling tot de huidige tafelopstellingen.

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen