Een sensor die vertrouwt op gereflecteerd licht om biomedische en chemische monsters te analyseren, heeft nu een grotere gevoeligheid, dankzij een tapijt van gouden nanodeeltjes. Xia Yu van het A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology, samen met haar studenten en collega's, heeft de ideale grootte van nanodeeltjes bepaald om oppervlakteplasmonresonantie (SPR) -sensoren te verbeteren.

Dergelijke sensoren bevatten een prisma waarvan één zijde bedekt is met een dunne laag goud. Als laserlicht door het prisma schijnt, het reflecteert meestal van het goud in een detector. Echter, als het licht het goud onder een bepaalde hoek raakt, een deel ervan koppelt met elektronen in het metaal om elektromagnetische golven te produceren die oppervlakteplasmonpolaritonen worden genoemd. Een sterkere koppeling leidt tot minder licht dat naar de detector wordt gereflecteerd.

Wanneer een vloeibaar monster over de goudfilm stroomt, het verandert de brekingsindex in dat gebied en verandert enigszins de hoek waaronder het licht op het metaal komt. Dit belemmert de vorming van polaritonen, wat betekent dat meer van het licht naar de detector wordt gereflecteerd. Door de hoek van de laserstraal te variëren en de intensiteit van het gereflecteerde licht te bewaken, wordt de samenstelling van de monsters die over het metalen oppervlak stromen zichtbaar.

Andere onderzoekers hebben aangetoond dat gouden nanodeeltjes het reactievermogen van de sensor kunnen verbeteren. Inkomend licht veroorzaakt gelokaliseerde plasmonresonanties rond de nanodeeltjes die zich koppelen aan het sensoroppervlak, die grotere veranderingen in de intensiteit van het gereflecteerde licht veroorzaakt. Dit maakt het apparaat gevoeliger voor de invalshoek van het licht en kan daardoor lagere concentraties van de geteste chemicaliën detecteren.

Yu's team berekende de optische reacties van vier verschillende gouden nanodeeltjes - variërend in diameter van 40 tot 80 nanometer - en bepaald dat ze het meest effectief zouden zijn als ze ongeveer 5 nanometer boven het goudoppervlak werden gehouden. De onderzoekers monteerden vervolgens de verschillende nanodeeltjes op goudfilms met behulp van een zwavelhoudend molecuul genaamd dithiothreitol, die de optimale opening van 5 nanometer opleverde.

De berekeningen van het team hadden gesuggereerd dat het elektrische veld van de plasmonpolaritonen aan het oppervlak honderden keren groter zou zijn als deeltjes van 40 nanometer aan het oppervlak werden toegevoegd. "Hoe sterker het elektrische veld, hoe gevoeliger de sensoren, ", zegt Yu. Tests met verschillende concentraties glycerine en formamide-oplossingen bevestigden dat de deeltjes van 40 nanometer de grootste toename in gevoeligheid gaven. "De detectielimiet is minstens drie ordes van grootte hoger dan de huidige commerciële SPR-sensoren, " zegt Yu.

Yu hoopt deze ontdekking nu toe te passen op ultragevoelige sensoren die sporen van kankerbiomarkers kunnen detecteren.