Оптические биосенсоры используют свет для обнаружения молекул — это ключевой инструмент в точной диагностике, персональной медицине и экологическом мониторинге. Их эффективность резко возрастает, если свет удается сфокусировать до нанометрового масштаба — например, чтобы «увидеть» отдельные белки или аминокислоты. Обычно для этого нужны громоздкие и дорогие приборы, что ограничивает применение сенсоров в быстрой диагностике.

Но что, если обойтись без внешнего источника света? Ответ — квантовая физика. Ученые из лаборатории EPFL создали биосенсор, где свет генерируется за счет квантового эффекта — неупругого туннелирования электронов. Достаточно подать напряжение, и электроны, преодолевая тонкий слой изолятора, излучают фотоны.

Результаты опубликованы в издании Nature Photonics.

Представьте электрон как волну. Она с небольшой вероятностью может «просочиться» через барьер, попутно испуская свет. Мы разработали наноструктуру, которая усиливает этот эффект, — объясняет исследователь Михаил Машарин.

Секрет в двойной функции наноповерхности: она одновременно управляет туннелированием и преобразует энергию в плазмоны — коллективные колебания электронов в золотой пленке.

Плазмон — это квазичастица, возникающая при коллективном колебании электронов в металле (например, в золотой нанопленке). Она «сжимает» свет в наномасштабе, усиливая его взаимодействие с молекулами.

Это создает свет, чьи параметры меняются при контакте с молекулами, позволяя детектировать их в реальном времени без маркеров.

Наш сенсор обнаруживает аминокислоты и полимеры в концентрациях до пикограмма — это триллионная доля грамма, — говорит руководитель лаборатории Хатис Альтуг.

Ключевой элемент — метаповерхность из золотых нанопроволок. Они работают как «нантенны», фокусируя свет в нужной точке.

Технология совместима с массовым производством и умещается на чипе меньше квадратного миллиметра.

Раньше для такого требовался целый оптический стол. Теперь все в одном чипе — и генерация света, и детектирование, — отмечает исследователь Иван Синев.

Этот метод может перевернуть диагностику в местах, где нет лабораторий: от полевых госпиталей до домашних тестов. Например, можно быстро выявлять маркеры болезней или токсины в воде. Технология компактна, не требует сложного оборудования и может интегрироваться в смартфоны — представьте приложение, которое анализирует каплю крови за секунды.

Пока неясно, как сенсор поведет себя в реальных условиях — например, при наличии примесей в образцах. Кроме того, для массового внедрения нужно решить проблему стабильности золотой метаповерхности при длительной эксплуатации.

Ранее ученые разработали новый метод оценки загрязнения соленой воды.