Άρθρα

Μηχανικοί του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, Σαν Ντιέγκο και του Πανεπιστημίου της  Καλιφόρνιας, Μπέρκλεϋ  δημιούργησαν τεχνολογία βασισμένη στο φως που μπορεί να ανιχνεύσει βιολογικές ουσίες με μοριακό βάρος τουλάχιστον δύο τάξεις μεγέθους μικρότερο  από τις προηγούμενες. Η πρόοδος έγινε δυνατή με την κατασκευή μιας συσκευής που συρρικνώνει το φως ενώ εκμεταλλεύεται μαθηματικές ιδιομορφίες που είναι γνωστές ως εξαιρετικά σημεία ( Exceptional Points - EPs).

Η έρευνα, που δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature Physics, θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη εξαιρετικά ευαίσθητων συσκευών που θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν γρήγορα τους παθογόνους παράγοντες στο ανθρώπινο αίμα και να μειώσουν σημαντικά τον χρόνο που απαιτείται για τους ασθενείς να λάβουν τα αποτελέσματα των εξετάσεων αίματος.

«Ο στόχος μας είναι να ξεπεράσουμε τους θεμελιώδεις περιορισμούς των οπτικών συσκευών και να αποκαλύψουμε νέες φυσικές αρχές που μπορούν να επιτρέψουν αυτό που προηγουμένως θεωρήθηκε αδύνατο ή πολύ δύσκολο», δήλωσε ο Boubacar Kanté, αναπληρωτής καθηγητής Ηλεκτρολογίας και Επιστήμης Υπολογιστών και επιστημονικός συνεργάτης του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley , ο οποίος ήταν επικεφαλής της έρευνας ενώ παράλληλα είναι καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, San Diego. «Αυτό για το οποίο είμαι πραγματικά ενθουσιασμένος είναι η ικανότητα να εφαρμόσουμε τέτοιες ιδιότητες σε τόσο μικρή κλίμακα. Τα αποτελέσματα είναι τόσο θεμελιωδώς συναρπαστικά όσο και πρακτικά σημαντικά».

Το μήκος κύματος του φωτός είναι πολύ μεγαλύτερο από το μέγεθος των περισσότερων βιολογικά σχετικών ουσιών . Για να αλληλεπιδράσει έντονα το φως με αυτές τις μικρές ουσίες, το μήκος κύματος του πρέπει να μειωθεί.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πλασμόνια, τα οποία είναι μικροσκοπικοί ρευστοί κυματισμοί ηλεκτρονίων που μπορούν να κινούνται εμπρός και πίσω σε μεταλλικές νανοδομές.

Η ομάδα τοποθέτησε δύο διατάξεις πλασμονικής νανοκεραίας τη μια πάνω στην άλλη, με κάθε διάταξη να παράγει πλασμονικούς συντονισμούς που έλεγχαν τα φωτεινά κύματα μιας συγκεκριμένης συχνότητας. Οι ερευνητές έπειτα συνένωσαν τις δυο διατάξεις, ωθώντας τα δύο κύματα να συγχωνευτούν, μέχρι να συντονιστούν τελικά με την ίδια συχνότητα και, πιο σημαντικά, να χάσουν την ενέργεια τους με τον ίδιο ρυθμό - μια στιγμή γνωστή ως το εξαιρετικό σημείο. Αυτό σημάδεψε την πρώτη φορά που οι ερευνητές χρησιμοποίησαν  τα εξαιρετικά σημεία ως πλασμόνια.

Όταν μια εξωτερική ουσία έρχεται σε επαφή με το εξαιρετικό σημείο και διαταράσσει τους συγχρονισμένους ρυθμούς χαμένης ενέργειας, η συσκευή ανιχνεύει την ουσία με μεγαλύτερη ευαισθησία.

«Ενώ έχουν διερευνηθεί πολλές μέθοδοι για να γίνουν  πιο ευαίσθητοι οι  βιοαισθητήρες, η χρήση των συστοιχιών εξαιρετικών σημείων πλασμονικής νανοκεραίας για την αύξηση της ευαισθησίας είναι μια μοναδική προσέγγιση. Αλλάζει τη θεμελιώδη σχέση μεταξύ του σήματος και της συγκέντρωσης του στόχου (ή του αριθμού αντιγράφων) από μια απλή γραμμική σχέση με μια εξίσωση τετραγωνικής ρίζας, η οποία είναι βασικότατη για την εξαιρετική ευαισθησία της συσκευής», δήλωσε ο Yu-Hwa Lo, καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στη Σχολή Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, San Diego Jacobs και συν-συγγραφέας της μελέτης.

Η συσκευή χρησιμοποιώντας πλασμονικές συστοιχίες ανίχνευσε την αντι-ανοσοσφαιρίνη G στο αίμα, το πιο συνηθισμένο αντίσωμα στο ανθρώπινο αίμα για την καταπολέμηση λοίμωξης, με μοριακό βάρος 267 φορές ελαφρύτερο από ό, τι σε προηγούμενες αναφορές.

Η προσθήκη πρόσθετων πλασμονικών συστοιχιών στην αρχική συσκευή θα μπορούσε επίσης να ενισχύσει περαιτέρω την ευαισθησία της στα εξαιρετικά σημεία, ανέφερε ο Kanté.

Περισσότερα στην δημοσίευση: Jun-Hee Park et al. Symmetry-breaking-induced plasmonic exceptional points and nanoscale sensing, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-0796-x

Πληροφορίες Περιοδικού: Nature Physics