Gebruikmakend van optische kenmerken die voor het eerst werden gedemonstreerd door de oude Romeinen, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een roman gemaakt, ultragevoelig gereedschap voor chemische, DNA, en eiwitanalyse.

"Met dit apparaat de detectie van nanoplasmonische spectroscopie, Voor de eerste keer, wordt colorimetrische waarneming, waarvoor alleen blote ogen of gewone zichtbare kleurenfotografie nodig is, " legde Logan Liu uit, een assistent-professor elektrische en computertechniek en bio-engineering in Illinois. "Het kan worden gebruikt voor chemische beeldvorming, biomoleculaire beeldvorming, en integratie met draagbare microfluïdische apparaten voor lab-on-chip-toepassingen. De resultaten van zijn onderzoeksteam stonden in het omslagartikel van de eerste editie van Geavanceerde optische materialen (optisch gedeelte van Geavanceerde materialen ).

De Lycurgus-beker is gemaakt door de Romeinen in 400 na Christus. Gemaakt van een dichroïsch glas, de beroemde beker vertoont verschillende kleuren, afhankelijk van het al dan niet passeren van licht; rood als het van achteren wordt verlicht en groen als het van voren wordt verlicht. Het is ook de bron van inspiratie voor al het hedendaagse nanoplasmonische onderzoek - de studie van optische fenomenen in de nabijheid van metalen oppervlakken op nanoschaal.

"Dit dichroïsche effect werd bereikt door kleine hoeveelheden fijngemalen goud- en zilverstof in het glas op te nemen, " Liu toegevoegd. "In ons onderzoek, we hebben een groot oppervlak met hoge dichtheid gemaakt van een Lycurgus-beker op nanoschaal met behulp van een transparant plastic substraat om colorimetrische detectie te bereiken. De sensor bestaat uit ongeveer een miljard nano-cups in een array met sub-golflengte opening en versierd met metalen nanodeeltjes op zijwanden, met dezelfde vorm en eigenschappen als de Lycurgus-bekers die in een Brits museum worden getoond. Liu en zijn team waren bijzonder enthousiast over de buitengewone eigenschappen van het materiaal, wat een 100 keer betere gevoeligheid oplevert dan enig ander gerapporteerd nanoplasmonisch apparaat.

Colorimetrische technieken zijn vooral aantrekkelijk vanwege hun lage kosten, gebruik van goedkope apparatuur, eis van minder signaaltransductiehardware, en bovenal, die eenvoudig te begrijpen resultaten opleveren. Colorimetrische sensor kan worden gebruikt voor zowel kwalitatieve analytische identificatie als kwantitatieve analyse. Het huidige ontwerp maakt ook de ontwikkeling van nieuwe technologie op het gebied van DNA/proteïne-microarray mogelijk.

"Onze labelvrije colorimetrische sensor elimineert de noodzaak van problematische fluorescentiemarkering van DNA-/eiwitmoleculen, en de hybridisatie van sonde en doelmolecuul wordt gedetecteerd door de kleurverandering van de sensor, " verklaarde Manas Gartia, eerste auteur van het artikel, "Colorimetrie:colorimetrische plasmonresonantiebeeldvorming met behulp van Nano Lycurgus Cup-arrays." "Onze huidige sensor heeft alleen een lichtbron en een camera nodig om het DNA-detectieproces te voltooien. Dit opent de mogelijkheid om betaalbare, eenvoudige en gevoelige op mobiele telefoons gebaseerde DNA-microarray-detector in de nabije toekomst. Door de lage kosten, eenvoud in ontwerp, en hoge gevoeligheid, we voorzien het uitgebreide gebruik van het apparaat voor DNA-microarrays, therapeutische antilichaamscreening voor het ontdekken van geneesmiddelen, en detectie van pathogenen in een slechte omgeving."

Gartia legde uit dat licht-materie interactie met behulp van sub-golflengte gatenarrays aanleiding geeft tot interessante optische fenomenen zoals oppervlakte plasmon polaritons (SPP's) gemedieerde verbeterde optische transmissie (EOT). In het geval van EOT, meer dan verwachte hoeveelheid licht kan worden doorgelaten door nanogaten op anders ondoorzichtige dunne metaalfilms. Omdat de dunne metaalfilm een ​​speciale optische eigenschap heeft, oppervlakteplasmonresonantie (SPR) genaamd, die wordt beïnvloed door een kleine hoeveelheid omringende materialen, een dergelijk apparaat is gebruikt als biosensing-toepassingen.

Volgens de onderzoekers is de meeste eerdere onderzoeken waren voornamelijk gericht op het manipuleren van tweedimensionale (2D) EOT-structuren in het vlak, zoals het afstemmen van de gatdiameter, vorm, of afstand tussen de gaten. In aanvulling, de meeste eerdere onderzoeken hebben alleen betrekking op rechte gaten. Hier, de EOT wordt voornamelijk bemiddeld door SPP's, die de gevoeligheid en het cijfer van verdiensten beperkt die van dergelijke apparaten kunnen worden verkregen.

"Ons huidige ontwerp maakt gebruik van 3D-subgolflengte taps toelopende periodieke gatenarray plasmonische structuur. In tegenstelling tot de SPP-gemedieerde EOT, de voorgestelde structuur is gebaseerd op Localized Surface Plasmon (LSP) gemedieerde EOT, "Zei Gartia. "Het voordeel van LSP's is dat de verbeterde transmissie bij verschillende golflengten en met verschillende dispersie-eigenschappen kan worden afgestemd door de grootte te regelen, vorm, en materialen van de 3D-gaten. De taps toelopende geometrie zal de fotonen adiabatisch trechtervormig en adiabatisch focussen op de sub-golflengte plasmonische structuur aan de onderkant, wat leidt tot een groot lokaal elektrisch veld en verbetering van EOT.

"Ten tweede zal de gelokaliseerde resonantie ondersteund door 3D-plasmonische structuur breedbandafstemming van optische transmissie mogelijk maken door de vorm te regelen, maat, en periode van gaten evenals de vorm, maat, en periode van metaaldeeltjes versierd aan de zijwanden. Met andere woorden, we zullen meer controle hebben over het afstemmen van de resonantiegolflengten van de sensor."