Optische Biosensoren nutzen Lichtwellen als Sonde zum Nachweis von Molekülen. Sie sind von entscheidender Bedeutung, um Diagnosen für eine personalisierte Gesundheitsversorgung zu stellen und die Umweltüberwachung zu gewährleisten. Ihre Leistungsfähigkeit wird erheblich gesteigert, wenn sie Lichtwellen im Nanometerbereich - klein genug, um beispielsweise Proteine oder Aminosäuren zu erkennen - mithilfe nanophotonischer Strukturen fokussieren können, die das Licht auf der Oberfläche eines kleinen Chips "komprimieren". Die Erzeugung und Detektion von Licht für diese nanophotonischen Biosensoren erfordert jedoch sperrige und teure Geräte, die ihren Einsatz in der Schnelldiagnostik oder in Gesundheitszentren stark einschränken.
Wie kann man also einen lichtbasierten Biosensor ohne externe Lichtquelle herstellen? Mithilfe der Quantenphysik. Wissenschaftler des Labors für bionanophotonische Systeme an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL haben ein Quantenphänomen namens inelastischer Elektronentunnel ausgenutzt und einen Biosensor entwickelt, der nur einen konstanten Elektronenfluss - in Form einer angelegten elektrischen Spannung - benötigt, um Moleküle zu beleuchten und gleichzeitig zu erkennen.
"Wenn man ein Elektron als Welle und nicht als Teilchen betrachtet, hat diese Welle eine geringe Wahrscheinlichkeit, durch einen Tunneleffekt auf die andere Seite einer extrem dünnen isolierenden Barriere überzugehen und dabei ein Lichtphoton auszusenden. Was wir getan haben, ist eine Nanostruktur zu schaffen, die sowohl Teil dieser isolierenden Barriere ist als auch die Wahrscheinlichkeit der Lichtemission erhöht", erklärt Mikhail Masharin, Forscher am Labor für bionanophotonische Systeme
Nachweis im Trillionstel-Gramm-Bereich
Kurz gesagt: Das Nanostrukturdesign des Teams schafft ideale Bedingungen für ein Elektron, das durch eine Barriere aus Aluminiumoxid hindurch auf eine ultradünne Goldschicht gelangt. Bei diesem Prozess überträgt das Elektron einen Teil seiner Energie auf eine kollektive Anregung namens Plasmon, das dann ein Photon aussendet. Dieses Design stellt sicher, dass sich die Intensität und das Spektrum dieses Lichts als Reaktion auf den Kontakt mit Biomolekülen ändern, was eine leistungsfähige Methode für einen extrem empfindlichen, markerfreien Nachweis in Echtzeit ergibt."Die Tests haben gezeigt, dass unser selbstleuchtender Biosensor Aminosäuren und Polymere in Konzentrationen im Pikogrammbereich - also einem Billionstel Gramm - nachweisen kann und damit mit den fortschrittlichsten heute verfügbaren Sensoren konkurriert", sagt Hatice Altug, Leiterin des Labors für bionanophotonische Systeme.
Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der ETH Zürich, des ICFO (Spanien) und der Yonsei University (Korea) in Nature Photonics veröffentlicht
Eine Metasurface mit doppeltem Verwendungszweck
Das Herzstück der Innovation des Teams ist eine doppelte Funktion: Die Goldschicht der Nanostruktur ist eine Metaoberfläche, was bedeutet, dass sie spezielle Eigenschaften aufweist, die die Bedingungen für einen Quantentunnel schaffen und die daraus resultierende Lichtemission steuern. Diese Steuerung wird durch die Anordnung der Metasurface in einem Netz aus Gold-Nanodrähten ermöglicht, die als "Nanoantennen" fungieren, um das Licht auf die nanometrischen Volumina zu bündeln, die für einen effektiven Nachweis von Biomolekülen erforderlich sind.
"Das inelastische Tunneln von Elektronen ist ein Prozess mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit, aber wenn man einen Prozess mit geringer Wahrscheinlichkeit hat, der gleichmässig über eine sehr grosse Fläche stattfindet, kann man immer noch genügend Photonen sammeln. Darauf haben wir uns bei der Optimierung konzentriert, und das hat sich als eine sehr vielversprechende neue Strategie für die Biodetektion erwiesen", erklärt Jihye Lee, Hauptautorin und ehemalige Forscherin am Labor für bionanophotonische Systeme, die jetzt als Ingenieurin bei Samsung Electronics arbeitet.
Mit potenziellen Anwendungen, die von der Diagnose ausserhalb des Labors bis zum Nachweis von Umweltkontaminationen reichen, verschiebt diese Technologie die Grenzen für Hochleistungsdetektionssysteme
Ivan Sinev, Forscher am Labor für bionanophotonische Systeme
Die Quantenplattform des Teams, die am Zentrum für Mikronanotechnologie der EPFL hergestellt wurde, ist nicht nur kompakt und empfindlich, sondern auch skalierbar und kompatibel mit den Methoden der Sensorherstellung. Für den Sensor wird weniger als ein Quadratmillimeter aktive Fläche benötigt, was im Gegensatz zu den heutigen Tischinstallationen eine interessante Möglichkeit für tragbare Biosensoren schafft.
"Unsere Arbeit liefert einen voll integrierten Sensor, der Lichterzeugung und Detektion auf einem einzigen Chip vereint. Mit potenziellen Anwendungen, die von der Diagnose ausserhalb des Labors bis hin zum Nachweis von Umweltkontaminanten reichen, verschiebt diese Technologie die Grenzen für Hochleistungs-Sensorsysteme", fasst Ivan Sinev, Forscher am Labor für bionanophotonische Systeme, zusammen
