Biosensoren geïntegreerd in smartphones, slimme horloges en andere gadgets staan ​​op het punt werkelijkheid te worden. In een krant op de omslag van het januarinummer van Sensoren , onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology beschrijven een manier om de gevoeligheid van biologische detectoren te verhogen tot het punt dat ze kunnen worden gebruikt in mobiele en draagbare apparaten.

Een biosensor is een elektrochemisch apparaat dat in realtime de samenstelling van biologische vloeistoffen bepaalt. Bloedglucosemeters die door diabetespatiënten worden gebruikt, zijn misschien wel de enige biosensing-apparaten op de massamarkt die tegenwoordig worden gebruikt. Maar futurologen zeggen dat huishoudelijke apparaten binnenkort zweet kunnen analyseren, speeksel, waterige humor, en andere lichaamsvloeistoffen om een ​​persoon te identificeren, medische tests doen, diagnose ziekte, of continu de gezondheid van een persoon monitoren en dienovereenkomstig optimale dieetsuggesties doen.

Tot voor kort, dergelijke aanvragen werden niet serieus in overweging genomen, omdat de beschikbare apparaten niet gevoelig genoeg waren en onbetaalbaar waren voor de consumentenmarkt. Echter, het kan zijn dat er een doorbraak staat te gebeuren. Een team van onderzoekers van het MIPT Center for Photonics and 2-D Materials heeft een radicaal nieuw biosensorontwerp voorgesteld, die de gevoeligheid van de detector vele malen zou kunnen verhogen en een even indrukwekkende prijsverlaging zou bieden.

"Een conventionele biosensor bevat een ringresonator en een golfgeleider die in hetzelfde vlak zijn geplaatst, " verklaarde MIPT-afgestudeerde student Kirill Voronin van het Laboratory of Nanooptics and Plasmonics, die op het idee kwam dat in het onderzoek werd gebruikt. "We hebben besloten om de twee elementen te scheiden en ze in twee verschillende vlakken te plaatsen, met de ring boven de golfgeleider."

De reden dat onderzoekers die sensorlay-out niet eerder hebben getest, is dat het vervaardigen van een platte, apparaat met één niveau is gemakkelijker in een laboratoriumomgeving. Door een dunne film af te zetten en te etsen, zowel een ringresonator als een golfgeleider worden tegelijkertijd geproduceerd. Het alternatieve ontwerp op twee niveaus is minder geschikt voor het vervaardigen van unieke experimentele apparaten, maar het bleek goedkoper voor massaproducerende sensoren. De reden hiervoor is dat de technologische processen in een elektronicafabriek zijn gericht op het laag voor laag plaatsen van actieve componenten.

Belangrijker, het nieuwe two-tier biosensorontwerp resulteerde in een vele malen hogere gevoeligheid.

Een biosensor werkt door de kleine veranderingen in de brekingsindex aan het oppervlak te registreren, die worden veroorzaakt door adsorptie van organische moleculen. Deze variaties worden gedetecteerd via een resonator waarvan de resonantiecondities afhankelijk zijn van de brekingsindex van het externe medium. Aangezien zelfs de kleinste schommelingen in de brekingsindex een significante resonantiepiekverschuiving veroorzaken, een biosensor reageert op bijna elk molecuul dat op het oppervlak landt.

"We hebben de stripgolfgeleider onder de resonator geplaatst, in het bulkdiëlektricum, " zei mede-auteur van het papier Aleksey Arsenin, een vooraanstaand onderzoeker bij het MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics. "De resonator, beurtelings, bevindt zich op het grensvlak tussen het diëlektrische substraat en de externe omgeving. Door de brekingsindices van de twee omringende media te optimaliseren, bereiken we een aanzienlijk hogere gevoeligheid."

De nieuw voorgestelde biosensorlay-out heeft zowel de bron als de detector van licht in het diëlektricum. Het enige deel dat aan de buitenkant overblijft, is het gevoelige element. Dat is, de gouden ring enkele tientallen micrometers in diameter en een duizendste van die in dikte (fig. 1).

Volgens Voronin, de methode van het team om biosensoren responsiever te maken, zal de technologie naar een kwalitatief nieuw niveau tillen. "De nieuwe lay-out is bedoeld om biosensoren veel gemakkelijker te maken te maken, en dus goedkoper, " zei de fysicus. "Optische lithografie is de enige techniek die nodig is om detectoren te produceren op basis van ons principe. Er zijn geen bewegende delen bij betrokken, en een afstembare laser die in een nauw frequentiebereik werkt, is voldoende."

Valentin Volkov, die aan het hoofd staat van het MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, schat dat het ongeveer drie jaar zal duren om een ​​industrieel ontwerp te ontwikkelen op basis van de voorgestelde technologie.