Stel je een draagbare omgevingssensor voor die water onmiddellijk op lood kan testen, E coli, en pesticiden allemaal tegelijk, of een biosensor die met slechts één druppel een volledige bloedopwerking kan uitvoeren. Dat is de belofte van plasmonische interferometrie op nanoschaal, een techniek die nanotechnologie combineert met plasmonics - de interactie tussen elektronen in een metaal en licht.

Nu hebben onderzoekers van de School of Engineering van Brown University een belangrijke fundamentele vooruitgang geboekt die dergelijke apparaten praktischer zou kunnen maken. Het onderzoeksteam heeft een techniek ontwikkeld die de noodzaak elimineert voor zeer gespecialiseerde externe lichtbronnen die coherent licht leveren, die de techniek normaal vereist. De vooruitgang zou meer veelzijdige en compactere apparaten mogelijk maken.

"Er is altijd aangenomen dat coherent licht nodig was voor plasmonische interferometrie, " zei Domenico Pacifici, een professor in de techniek die toezicht hield op het werk met zijn postdoctoraal onderzoeker Dongfang Li, en afgestudeerde student Jing Feng. "Maar we waren in staat om die veronderstelling te weerleggen."

Het onderzoek staat beschreven in Nature Wetenschappelijke rapporten .

Plasmonische interferometers maken gebruik van de interactie tussen licht en oppervlakteplasmonpolaritonen, dichtheidsgolven die ontstaan ​​wanneer lichtenergie vrije elektronen in een metaal laat rammelen. Eén type interferometer ziet eruit als een schot in de roos dat in een dunne laag metaal is geëtst. In het midden is een gat geprikt door de metalen laag met een diameter van ongeveer 300 nanometer - ongeveer 1, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar. Het gat is omgeven door een reeks geëtste groeven, met een diameter van enkele micrometers. Duizenden van deze bulls-eyes kunnen op een chip ter grootte van een vingernagel worden geplaatst.

Wanneer licht van een externe bron op het oppervlak van een interferometer wordt weergegeven, sommige fotonen gaan door het centrale gat, terwijl andere worden verspreid door de groeven. Die verstrooide fotonen genereren oppervlakteplasmonen die zich door het metaal naar binnen in het gat voortplanten, waar ze interageren met fotonen die door het gat gaan. Dat creëert een interferentiepatroon in het licht dat door het gat wordt uitgezonden, die kan worden geregistreerd door een detector onder het metalen oppervlak.

Wanneer een vloeistof bovenop een interferometer wordt afgezet, het licht en de oppervlakteplasmonen planten zich door die vloeistof voort voordat ze met elkaar interfereren. Dat verandert de interferentiepatronen die door de detector worden opgepikt, afhankelijk van de chemische samenstelling van de vloeistof of verbindingen die erin aanwezig zijn. Door verschillende maten groefringen rond het gat te gebruiken, de interferometers kunnen worden afgestemd om de handtekening van specifieke verbindingen of moleculen te detecteren. Met de mogelijkheid om veel verschillend afgestemde interferometers op één chip te plaatsen, ingenieurs kunnen hypothetisch een veelzijdige detector maken.

Tot nu toe, alle plasmonische interferometers vereisen het gebruik van zeer gespecialiseerde externe lichtbronnen die coherente lichtbundels kunnen leveren waarin lichtgolven evenwijdig zijn, dezelfde golflengte hebben, en reizen in-fase (wat betekent dat de toppen en dalen van de golven zijn uitgelijnd). Zonder coherente lichtbronnen, de interferometers kunnen geen bruikbare interferentiepatronen produceren. Dat soort lichtbronnen, echter, hebben de neiging omvangrijk te zijn, duur, en vereisen zorgvuldige uitlijning en periodieke herkalibratie om een ​​betrouwbare optische respons te verkrijgen.

Maar Pacifici en zijn groep hebben een manier bedacht om de behoefte aan extern coherent licht te elimineren. Bij de nieuwe methode fluorescerende licht-emitterende atomen zijn direct geïntegreerd in het kleine gaatje in het midden van de interferometer. Een externe lichtbron is nog steeds nodig om de interne emitters te exciteren, maar het hoeft geen gespecialiseerde coherente bron te zijn.

"Dit is een geheel nieuw concept voor optische interferometrie, "Pacific zei, "een geheel nieuw apparaat."

In dit nieuwe apparaat onsamenhangend licht dat op de interferometer wordt weergegeven, zorgt ervoor dat de fluorescerende atomen in het middelste gat oppervlakteplasmonen genereren. Die plasmonen planten zich vanuit het gat naar buiten voort, stuiteren van de groefringen, en propageren daarna terug naar het gat. Zodra een plasmon zich weer voortplant, het interageert met het atoom dat het heeft vrijgegeven, interferentie met het direct uitgezonden foton veroorzaken. Omdat de emissie van een foton en de vorming van een plasmon niet te onderscheiden zijn, alternatieve paden afkomstig van dezelfde zender, het proces is van nature coherent en daarom kan interferentie optreden, ook al worden de emitters onsamenhangend geëxciteerd.

"Het belangrijkste hier is dat dit een proces van zelfinmenging is, "Zei Pacifici. "Het maakt niet uit dat je onsamenhangend licht gebruikt om de zenders op te wekken, je krijgt toch een samenhangend proces."

Naast het elimineren van de noodzaak voor gespecialiseerde externe lichtbronnen, de aanpak heeft verschillende voordelen, zei Pacifici. Omdat de oppervlakteplasmonen uit het gat en weer terug reizen, ze tasten het monster op het oppervlak van de interferometer twee keer af. Dat maakt het toestel gevoeliger.

Maar dat is niet het enige voordeel. Op het nieuwe apparaat extern licht kan worden geprojecteerd van onder het metalen oppervlak met de interferometers in plaats van van bovenaf. Dat elimineert de noodzaak van complexe verlichtingsarchitecturen bovenop het detectieoppervlak, wat zou kunnen zorgen voor een eenvoudigere integratie in compacte apparaten.

De ingebouwde lichtzenders elimineren ook de noodzaak om de hoeveelheid monstervloeistof te regelen die op het oppervlak van de interferometer wordt afgezet. Grote vloeistofdruppels kunnen lenseffecten veroorzaken, een afbuiging van licht die de resultaten van de interferometer kan vervormen. De meeste plasmonische sensoren maken gebruik van kleine microfluïdische kanalen om een ​​dunne film van vloeistof af te leveren om lensproblemen te voorkomen. Maar met interne lichtzenders die van het bodemoppervlak worden geëxciteerd, het externe licht komt nooit in contact met het monster, dus lenseffecten worden teniet gedaan, net als de behoefte aan microfluïdica.

Eindelijk, de interne zenders produceren een licht met een lage intensiteit. Dat is goed voor het onderzoeken van delicate monsters, zoals eiwitten, dan kan worden beschadigd door licht met hoge intensiteit.

Er is meer werk nodig om het systeem uit het lab en in apparaten te krijgen, en Pacifici en zijn team zijn van plan het idee verder te verfijnen. De volgende stap is om te proberen de externe lichtbron helemaal te elimineren. Het is misschien mogelijk, zeggen de onderzoekers, om uiteindelijk de interne emitters te prikkelen met behulp van kleine glasvezellijnen, of misschien elektrische stroom.

Nog altijd, deze eerste proof-of-concept is veelbelovend, zei Pacifici.

"Vanuit een fundamenteel standpunt, we denken dat dit nieuwe apparaat een belangrijke stap voorwaarts betekent, " hij zei, "een eerste demonstratie van plasmonische interferometrie met onsamenhangend licht".