Onderzoekers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem hebben een nanofotonisch chipsysteem gemaakt dat lasers en bacteriën gebruikt om fluorescentie te observeren die wordt uitgezonden door een enkele bacteriële cel. Om de bacteriën op hun plaats te fixeren en om licht naar individuele bacteriële cellen te leiden, ze gebruikten V-groefvormige plasmonische golfgeleiders, kleine met aluminium beklede staafjes met een diameter van slechts tientallen nanometers. Het nieuwe systeem, beschreven in het tijdschrift Nano Letters, maakt de weg vrij voor een efficiënt en draagbaar on-chip systeem voor diverse celgebaseerde detectietoepassingen, zoals het in realtime detecteren van chemicaliën.

Het gebied van on-chip fotonische apparaten voor biologische en chemische detectietoepassingen biedt veel krachtige alternatieven voor conventionele analytische technieken voor toepassingen variërend van "lab on a chip" tot milieumonitoring. Echter, deze detectieschema's zijn voornamelijk gebaseerd op detectie buiten de chip en vereisen een omslachtig apparaat, zelfs bij het meten van slechts enkele cellen.

Het team van de Hebreeuwse Universiteit zocht naar manieren om alle systeemcomponenten te integreren, inclusief lichtbronnen en detectoren, op de chip op nanoschaal. Dit zou resulteren in een lab-on-chip systeem dat klein is, draagbaar en kan detectie in realtime uitvoeren.

Om dit te behalen, ze ontwikkelden moleculair levende bacteriën die een fluorescerend signaal uitzenden in de aanwezigheid van doelverbindingen. Ze koppelden deze op de chip met een golfgeleider op nanoschaal, die niet alleen diende om licht te leiden, maar maakte ook het mechanisch vangen van individuele bacteriën in de V-groef mogelijk.

In drie verschillende lichtomstandigheden, ze hebben experimenteel de ondervraging van een individuele Escherichia coli-bacteriecel aangetoond met behulp van een plasmonische V-groefgolfgeleider op nanoschaal. Eerst, ze maten het licht dat wordt uitgezonden door een bacterie die bovenop de nanocoupler stroomt in een vloeibare omgeving door de fluorescentie van de bacterie rechtstreeks via de nanocoupler in de golfgeleider te laten koppelen. Volgende, een bacterie werd mechanisch gevangen in de V-groefgolfgeleider en werd door laser rechtstreeks van bovenaf of door de nanocoupler geëxciteerd. In alle gevallen, significante fluorescentie werd verzameld van de output nano-koppelaar in de detector.

Het systeem werkte goed, zowel in natte omgevingen, waar de bacteriën bovenop de golfgeleider stromen, en in droge omstandigheden, waar de bacteriën gevangen zitten in de golfgeleider.

Het onderzoek werd geleid door Prof. Uriel Levy, Directeur van het Harvey M. Krueger Family Center for Nanoscience and Nanotechnology aan de Hebreeuwse Universiteit in samenwerking met Prof. Shimshon Belkin, aan het Alexander Silberman Institute of Life Sciences van de Hebreeuwse Universiteit, die de bacteriële sensoren genetisch heeft gemanipuleerd, en Prof. Anders Kristensen van de Deense Technische Universiteit, die de leiding had over de fabricage van de V-groef golfgeleiders. Prof. Levy is de Eric Samson-leerstoel in Applied Science and Technology, en Prof. Belkin is de leerstoel van het Ministerie van Arbeid en Maatschappelijk Welzijn in Industriële Hygiëne, aan de Hebreeuwse Universiteit.

In tegenstelling tot de meer traditionele plasmonische golfgeleiders, bestaande uit zilver of goud, de keuze voor aluminium was essentieel om het fluorescerende licht dat door de bacteriën wordt uitgestraald, helemaal naar de uitgangsnanokoppelaar te kunnen leiden. Verder, de afmetingen van de golfgeleider zorgen voor een efficiënte mechanische vangst van de bacteriën en de multimode-kenmerken kunnen een belangrijke rol spelen bij het verzamelen van meer informatie, bijv. op de specifieke positie en oriëntatie van de bacteriën.

De resultaten geven een duidelijke indicatie van de haalbaarheid van het construeren van een hybride bioplasmonisch systeem met behulp van levende cellen. Toekomstige werkzaamheden omvatten de aanleg van een golfgeleidernetwerk, diversificatie van het systeem om verschillende soorten bacteriële sensoren op te nemen voor de detectie van verschillende biologische of chemische analyten.