Ingenieurs van de University of California San Diego en de University of California Berkeley hebben op licht gebaseerde technologie ontwikkeld die biologische stoffen kan detecteren met een molecuulmassa die meer dan twee ordes van grootte kleiner is dan voorheen mogelijk was. De vooruitgang werd mogelijk gemaakt door een apparaat te bouwen dat licht krimpt en tegelijkertijd gebruikmaakt van wiskundige singulariteiten die bekend staan ​​als uitzonderlijke punten (EP's).

Het onderzoek, gepubliceerd in Natuurfysica , zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van ultragevoelige apparaten die snel ziekteverwekkers in menselijk bloed kunnen detecteren en de tijd die patiënten nodig hebben om resultaten van bloedonderzoeken te krijgen aanzienlijk verkorten.

"Ons doel is om de fundamentele beperkingen van optische apparaten te overwinnen en nieuwe fysieke principes te ontdekken die mogelijk maken wat voorheen onmogelijk of zeer uitdagend werd geacht, " zei Boubacar Kanté, universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen en faculteitswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, die het werk leidde terwijl hij een professor in elektrische en computertechniek was aan de UC San Diego. "Waar ik echt enthousiast over ben, is het vermogen om dergelijke singulariteiten op zo'n kleine schaal te implementeren. De resultaten zijn zowel fundamenteel opwindend als praktisch belangrijk."

De golflengte van licht is veel groter dan de grootte van de meeste biologisch relevante stoffen. Om licht sterk te laten interageren met deze kleine stoffen, zijn golflengte moet worden verminderd.

De onderzoekers gebruikten plasmonen, dat zijn kleine vloeistoffen van elektronische golven die heen en weer kunnen bewegen in metalen nanostructuren.

De groep plaatste twee plasmonische nano-antenne-arrays op elkaar, waarbij elke array plasmonresonanties produceerde die lichtgolven met een bepaalde frequentie regelen. De onderzoekers "koppelden" vervolgens de nano-antenne-arrays, de twee golven duwen om samen te komen totdat ze uiteindelijk op dezelfde frequentie resoneerden en, het meest kritisch, verloor energie in hetzelfde tempo - een moment dat bekend staat als het uitzonderlijke punt. Dit was de eerste keer dat onderzoekers EP's voor plasmons hebben gebruikt.

Wanneer een externe stof in contact komt met de EP en de gesynchroniseerde snelheden van verloren energie verstoort, het apparaat detecteert de stof met een hogere gevoeligheid.

"Hoewel er veel methoden zijn onderzocht om biosensoren gevoeliger te maken, het gebruik van de EP van gekoppelde plasmonische nano-antenne-arrays om de gevoeligheid te verhogen is een unieke benadering. Het verandert de basisrelatie tussen het signaal en de doelconcentratie (of kopieaantal) van een eenvoudige lineaire relatie naar een vierkantswortelvergelijking, wat de sleutel is tot de buitengewone gevoeligheid van het ontwerp, " zei Yu-Hwa Lo, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en co-auteur van het onderzoek.

Het apparaat detecteerde anti-immunoglobuline G in bloed, het meest voorkomende antilichaam in menselijk bloed om infecties te bestrijden, bij een molecuulgewicht dat 267 keer lichter is dan in eerdere rapporten met behulp van plasmonarrays.

Het toevoegen van extra plasmonarrays aan het originele apparaat zou ook de gevoeligheid op de EP verder kunnen verhogen, zei Kanté.