Επιστήμονες στο EPFL της Ελβετίας ανέπτυξαν έναν καινοτόμο βιοαισθητήρα που μπορεί να ανιχνεύσει βιομόρια εξαιρετικά μικρών ποσοτήτων, χωρίς να χρειάζεται εξωτερική πηγή φωτός. Η τεχνολογία αξιοποιεί αρχές της κβαντικής φυσικής και πιο συγκεκριμένα το φαινόμενο της μη ελαστικής σήραγγας ηλεκτρονίων (inelastic electron tunneling), φέρνοντας επανάσταση στον τομέα των φορητών διαγνωστικών εργαλείων και της περιβαλλοντικής παρακολούθησης.
Ο νέος αισθητήρας συνδυάζει για πρώτη φορά παραγωγή και ανίχνευση φωτός σε ένα μόνο τσιπ, βασιζόμενος αποκλειστικά σε ηλεκτρική τάση. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς οπτικούς αισθητήρες, που απαιτούν εξωτερικές πηγές φωτός για τη λειτουργία τους, η νέα συσκευή δημιουργεί το δικό της φως μέσω κβαντικών διεργασιών, μειώνοντας σημαντικά το μέγεθος, την πολυπλοκότητα και το ενεργειακό αποτύπωμα των αισθητήρων.
Στην καρδιά της τεχνολογίας βρίσκεται μια νανοδομή που αποτελείται από ένα στρώμα νανοσύρματων χρυσού, το οποίο λειτουργεί ως μεταεπιφάνεια (metasurface). Η δομή αυτή όχι μόνο δημιουργεί τις κατάλληλες συνθήκες για τη διέλευση ηλεκτρονίων μέσα από ένα εξαιρετικά λεπτό φράγμα από οξείδιο του αλουμινίου, αλλά και ενισχύει την πιθανότητα να εκπέμπεται φως κατά τη διαδικασία. Το φως αυτό προκύπτει από τη μετατροπή ενέργειας του ηλεκτρονίου σε ένα συλλογικό ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο που ονομάζεται πλάσμον και στη συνέχεια σε φωτόνιο.
Όπως εξηγεί ο ερευνητής Mikhail Masharin από το Bionanophotonic Systems Laboratory, η ομάδα ανέπτυξε μια νανοδομή που αυξάνει την πιθανότητα εκπομπής φωτονίων κατά τη διάρκεια της σήραγγας. Η διάταξη των νανοσύρματων λειτουργεί σαν νανοκεραίες που συγκεντρώνουν το φως σε περιοχές νανομετρικής κλίμακας, επιτρέποντας την άμεση και εξαιρετικά ευαίσθητη ανίχνευση μορίων.
Η ακρίβεια της συσκευής είναι εντυπωσιακή: σε δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν, ο αισθητήρας ανίχνευσε αμινοξέα και πολυμερή σε συγκεντρώσεις picogram, δηλαδή ένα τρισεκατομμυριοστό του γραμμαρίου. Σύμφωνα με την υπεύθυνη του εργαστηρίου Hatice Altug, η επίδοση αυτή συγκρίνεται επάξια με τις πιο προηγμένες και ευαίσθητες τεχνολογίες βιοαισθητήρων που υπάρχουν σήμερα.
Το έργο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Photonics, σε συνεργασία με ερευνητές από τα ETH Zurich, ICFO στην Ισπανία και το Πανεπιστήμιο Yonsei στη Νότια Κορέα. Ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Jihye Lee – πρώην ερευνητής του EPFL και νυν μηχανικός στη Samsung Electronics – υπογραμμίζει τη σημασία της μεγάλης επιφάνειας λειτουργίας του αισθητήρα, η οποία επιτρέπει την καταγραφή επαρκούς ποσότητας φωτονίων ακόμη και από ένα φαινόμενο τόσο σπάνιο όσο η μη ελαστική σήραγγα.
Επιπλέον, η πλατφόρμα που ανέπτυξε η ομάδα είναι συμβατή με υπάρχουσες μεθόδους κατασκευής αισθητήρων και μπορεί να παραχθεί σε μεγάλη κλίμακα. Η ενεργή περιοχή του αισθητήρα δεν ξεπερνά το ένα τετραγωνικό χιλιοστό, γεγονός που την καθιστά ιδανική για ενσωμάτωση σε φορητές συσκευές, ανοίγοντας τον δρόμο για νέες, πρακτικές εφαρμογές σε συνθήκες πεδίου.
Ο ερευνητής Ivan Sinev συνοψίζει τη σημασία της ανακάλυψης:
Παρουσιάζουμε έναν πλήρως ενσωματωμένο αισθητήρα που συνδυάζει την παραγωγή και ανίχνευση φωτός σε ένα και μόνο τσιπ. Με εφαρμογές που εκτείνονται από διαγνώσεις στο σημείο φροντίδας μέχρι την ανίχνευση περιβαλλοντικών ρύπων, η τεχνολογία αυτή αντιπροσωπεύει ένα νέο σύνορο στα προηγμένα συστήματα ανίχνευσης.
Η χρήση της κβαντικής φυσικής για τη δημιουργία αυτόφωτων αισθητήρων ανοίγει νέες δυνατότητες στον τομέα της βιοανίχνευσης.
[via]
