Kendi kendini aydınlatan sensör, ışık kaynağı gerektirmez ve küçüktür

Nanoteknoloji

Teknolojik Yenilik Web Sitesi Editör Ekibi - 07/03/2025

Kendi kendini aydınlatan biyosensörün çizimi: Bir metasurface elektrik alır ve ışığın kuantum emisyonunu tetikler, ortaya çıkan ışık dalgalarını biyomolekülleri tespit edecek şekilde odaklar. [Görsel: Ella Maru Studio/BIOS EPFL]

Kendiliğinden aydınlatmalı sensör

İster deneyler için isterse tıbbi testler yapan klinik laboratuvarlarda olsun, molekülleri tespit etmemiz gerektiğinde, farklı molekülleri tanımlamak için ışık dalgalarını bir prob olarak kullanan optik biyosensörler adı verilen küçük cihazlar kullanırız.

İdeal olarak, bu sensörler ışık dalgalarını nanometre ölçeğine, örneğin proteinleri veya amino asitleri tespit edebilecek kadar küçük bir ölçeğe odaklayabilir. Bunu , ışığı küçük bir çipin yüzeyine sıkıştıran nanofotonik yapılar kullanarak yapmak mümkündür, ancak bir sorun vardır: Şey büyük, ağır ve pahalıdır - büyük laboratuvarlar için uygundur.

Ancak biyosensörleri taşınabilir ve ucuz uygulamalarda kullanılabilir hale getirecek teknoloji, İsviçre'deki École Polytechnique Fédérale de Lausanne'daki Jihye Lee ve meslektaşlarına geliyor. Onlar, harici bir ışık kaynağı olmadan ışık tabanlı bir biyosensörün nasıl yaratılacağını buldular. Bu, aslında bu işi yapan şey.

Esnek olmayan elektron tünellemesi adı verilen bir kuantum fenomeninden yararlanan araştırmacılar, molekülleri aynı anda aydınlatmak ve tespit etmek için yalnızca sabit bir elektron akışına ihtiyaç duyan (harici foton girişi olmadan) bir biyosensör yarattılar. Buna "kuantum ışık emisyonu" adını veriyorlar.

"Bir elektronu bir parçacıktan ziyade bir dalga olarak düşünürsek, bu dalganın bir ışık fotonu yayarken son derece ince bir yalıtım bariyerinin diğer tarafına 'tünelleme' olasılığı nispeten düşüktür. Yaptığımız şey, bu yalıtım bariyerinin bir parçası olan ve ışık emisyonunun meydana gelme olasılığını artıran bir nanoyapı yaratmaktır," diye açıkladı Profesör Mikhail Masharin.

Bir çip üzerindeki biyosensör, elektronların kuantum tünellemesiyle tetiklenen ışığı yayarak çalışıyor. [Görsel: Jihye Lee ve diğerleri - 10.1038/s41566-025-01708-y]

Bir gramın trilyonda birinin tespiti

Ekibin yarattığı nanoyapı, bir elektronun alüminyum oksit bariyerinden geçip ultra ince bir altın tabakasına ulaşması için ideal koşulları yaratır. Bu şekilde elektron, enerjisinin bir kısmını plazmon adı verilen kolektif bir uyarıma aktarır ve bu da bir foton yayar.

Yeniliğin merkezinde nanoyapının altın tabakasının, kuantum tünellemesi için koşulları optimize eden ve ortaya çıkan ışık emisyonunu kontrol eden elektromanyetik dalga manipülasyon özelliklerini sergilemek üzere tasarlanmış bir metasurface olmasıdır. Bu kontrol, metasurface'in, biyomolekülleri etkili bir şekilde tespit etmek için gereken nanometrik hacimlere ışık yoğunlaştırmak için " nanoanten " görevi gören altın nanotellerden oluşan bir ağ üzerine yerleştirilmesiyle mümkün hale gelir.

Tasarım, üretilen ışığın yoğunluğunun ve spektrumunun biyomoleküllerle temas ettiğinde değişmesini sağlayarak, numunedeki herhangi bir etiketleme veya boyaya güvenmeden son derece hassas, gerçek zamanlı tespit için güçlü bir yöntem ortaya çıkarıyor.

Ekip üyesi Hatice Altuğ, "Testler, kendi kendini aydınlatan biyosensörümüzün, pikogramlar (bir gramın trilyonda biri) düzeyindeki konsantrasyonlarda amino asitleri ve polimerleri tespit edebildiğini gösterdi. Bu, şu anda mevcut olan en gelişmiş sensörlerle rekabet edebilecek bir seviye" dedi.

Platform kompakt ve hassas olmasının yanı sıra ölçeklenebilir ve mevcut sensör üretim teknikleriyle uyumludur. Bir milimetre kareden daha az aktif alan tespit için yeterlidir ve bu da mevcut masaüstü kurulumlarının aksine taşınabilir biyosensörler için umut verici bir olasılık yaratır.

Diğer haberler:

Daha fazla konu