Практически любой аспект жизни человека в той или иной степени связан с измерением чего-либо: масса, расстояние, длина, температура и т. д. Часто от точности проведенных измерений зависит точность и успешность выполнения того или иного процесса. Когда речь идет об измерении крайне малых объектов, таких как молекулы используются оптические биосенсоры. Они чрезвычайно точны, но нуждаются в громоздком и дорогом оборудовании для генерации и обнаружения света. Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) разработали систему, которая использует квантовую физику для обнаружения присутствия биомолекул без необходимости использования внешнего источника света. Как именно работает эта система, какие аспекты квантовой физики позволили ее реализовать, и что именно она может измерять? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Плазмонные металлические наноструктуры интенсивно исследовались в качестве платформы для оптических датчиков из-за их уникальных способностей одновременно поддерживать сильное усиление оптического поля и глубокое субволновое ограничение света посредством локализованных поверхностных плазмонных резонансов и распространяющихся поверхностных плазмонных поляритонов (SPP от surface plasmon polariton). На основе этих составляющих биосенсорные устройства быстро превзошли по производительности обнаружения обычные оптические датчики, проложив путь для широкого использования и коммерциализации. Поверхностные плазмонные резонансные биосенсоры на основе плоских металлических пленок стали одним из золотых стандартов безметочных методов для мониторинга биомолекулярных взаимодействий в реальном времени как в прикладных, так и в фундаментальных биоаналитических исследованиях.

Одновременно наноструктурированные поверхности и наноантенны с локализованными плазмонными резонансами позволили дополнительно повысить чувствительность и облегчили мультиплексное зондирование. Компактные размеры таких наноплазмонных биосенсоров также позволили сократить требуемые объемы образцов в конфигурациях портативных устройств, что даже позволило наблюдать за секрецией отдельных клеток в реальном времени. Более поздние достижения изучают квантовые плазмонные режимы зондирования, которые открывают новые возможности для повышения производительности устройств, достигая уровня обнаружения отдельных молекул.

Несмотря на впечатляющий прогресс, достигнутый нанофотоникой в последние годы, возбуждение SPP в основном требует внешнего источника света в сочетании с громоздкими схемами связи, такими как призмы, решетки или плотно фокусирующая оптика, которые ограничивают возможность использования плазмонных датчиков в биохимических исследованиях и медицинской диагностике, где миниатюрные и интегрированные устройства имеют решающее значение, особенно в местах оказания медицинской помощи.

Электрическое возбуждение SPP представляет собой желаемую цель для достижения максимальной интеграции на кристалле и компактного устройства для приложений в области биосенсорики и за ее пределами. В 1976 году Лэмб и Маккарти открыли генерацию света посредством электронного туннелирования в тонкопленочных гетероструктурах с конфигурацией металл (Al)–изолятор (Al₂O₃)–металл (Au). Эти наблюдения продемонстрировали возможность прямой и сверхбыстрой передачи между электронами и фотонами, поскольку избыточная энергия туннелирующих электронов может генерировать свет посредством радиационного распада с помощью промежуточного возбуждения плазмонов. Приложения этого явления в основном связаны со сканирующей туннельной микроскопией, работающей в условиях сверхвысокого вакуума и позволяющей картировать испускание фотонов с исключительным пространственным разрешением. В частности, сканирующая туннельная микроскопия оказалась полезной для исследования молекулярных колебаний, визуализации электронных волновых функций и молекулярных орбиталей, изучения межмолекулярного взаимодействия и изучения динамики адсорбированных молекул.

Более разнообразные применения излучения света от неупругого электронного туннелирования (LIET от inelastic electron tunnelling) в значительной степени затруднены его чрезвычайно низкой интенсивностью, что является совокупным результатом низкой эффективности процесса (порядка 10⁻⁶ фотонов на туннелированный электрон) и малой области излучения. Большая часть работы была посвящена повышению интенсивности излучения как с точки зрения материаловедения, так и с точки зрения исследований нанофотоники. Одним из критических параметров в устройствах, полагающихся на процесс LIET, является качество барьера электронного туннеля. Образование зерен и дефекты изолирующего слоя могут значительно подорвать стабильность и эффективность диэлектрического перехода, тем самым требуя передовых методов осаждения тонких пленок для формирования достаточно гладких слоев, невосприимчивых к таким проблемам.

В этом контексте двумерные (2D) материалы предлагают заметные преимущества благодаря своей кристаллической структуре и атомарно плоским интерфейсам. В частности, гексагональный нитрид бора с его большой шириной запрещенной зоны (~ 6 эВ) и превосходным кристаллическим качеством может служить подходящим материалом для туннельного барьера, в то время как графен или дихалькогениды переходных металлов могут действовать как электрические контакты или дополнительные модуляторы эффективности LIET благодаря своим оптическим и электрическим характеристикам и возможности настройки с помощью электрического стробирования. Кроме того, было продемонстрировано, что барьерная инженерия через квантовые ямы вводит резонансное неупругое туннелирование электронов, значительно повышая эффективность. Однако двумерные материалы пока плохо совместимы с крупномасштабными подходами к изготовлению, где гораздо большая площадь излучения может компенсировать меньший выход фотонов.

Значительное увеличение эффективности LIET может быть достигнуто с помощью резонансных оптических наноантенн. Усиление обнаруженного сигнала LIET от туннельного перехода с плазмонной наноантенной было сообщено экспериментально и позже объяснено теоретически, показав, что наноантенна радикально увеличивает электромагнитную локальную плотность состояний и усиливает излучение на порядки величины, тем самым преодолевая процессы безызлучательного распада, которые в противном случае доминируют в обычных туннельных переходах. Дополнительное усиление измеренного сигнала LIET также достигается благодаря способности наноантенн направлять генерируемое излучение к детектору, когда они спроектированы для демонстрации направленной картины излучения. Кроме того, резонансный отклик наноантенн может быть настроен таким образом, что они формируют спектр широкополосного по своей природе излучения LIET.

Благодаря нанофотонным конструкциям и новым доступным материалам источники LIET были использованы для широкого спектра приложений, включая ультракомпактные волноводно-интегрированные источники света, спектроскопическое обнаружение наномасштабных расстояний, внутричиповую передачу данных и улучшенное отслеживание химических реакций in situ. Недавние исследования показали, что эффективность LIET превышает 1%, что позволяет добиться равномерного излучения на большей площади со стабильным электрическим смещением, хотя минимизация мерцания по-прежнему остается проблемой. Решение этих проблем имеет решающее значение для проектирования интегрированных устройств, включающих туннельные переходы в таких приложениях, как биосенсорика.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые рассказали о встроенном в чип самосветящемся безметочном оптическом биосенсоре, который использует квантовое туннелирование в многослойной пленке металл-изолятор-металл. Верхняя поверхность включает плазмонную метаповерхность, которая играет двойную роль, одновременно служа электрическим контактом для туннельного перехода и оптическим интерфейсом для облегчения сопряжения неупругого квантового электронного туннелирования, сопровождаемого излучением света, с излучением в свободном пространстве. Последний аспект, который обеспечивается локализованными плазмонными модами, поддерживаемыми антеннами в метаповерхности, влияет на внутреннюю квантовую эффективность процесса туннелирования за счет усиления излучательной составляющей электромагнитной плотности оптических состояний. Это способствует улучшению излучательной квантовой эффективности и, следовательно, усиливает обнаруженный сигнал. Была использована гибкая конструкция метаповерхности, оптимизированная для биосенсорики, чтобы производить эффективный и пространственно однородный LIET, что позволяет отображать пространственное распределение слоя аналита, нанесенного на метаповерхность.

Эти особенности в конечном итоге позволяют создать интегрированный наномасштабный источник света, который может преобразовывать небольшие изменения локальной оптической среды от малых объемов аналита в модуляцию оптического сигнала дальнего поля без необходимости каких-либо меток. Благодаря плазмонным антеннам, служащим как чувствительным элементом, так и источником света, архитектура сенсора LIET обеспечивает значительно меньшую площадь устройства по сравнению с конструкциями, включающими интеграцию плазмонных структур поверх светоизлучающих диодов или фотодетекторов.

Важно отметить, что изначально низкая эффективность LIET компенсируется в конструкции не только за счет антенного усиления, но и за счет наличия большой и однородной литографически определенной области излучения. В сенсорных устройствах общая излучаемая мощность достаточна для работы с большинством универсальных детекторов света. Биосенсор был протестирован с различными аналитами, такими как тонкие слои полимера и биомолекул. Тесты показали, что как интенсивность, так и спектральный профиль излучаемого света модулируются локальными изменениями показателя преломления, вызванными присутствием аналита. Полученные результаты подтверждают целесообразность использования устройств LIET в качестве высококомпактных и чувствительных оптических биосенсоров на кристалле для применения в местах оказания медицинской помощи, поскольку они исключают необходимость во внешнем источнике света.

Результаты исследования

Изображение №1

Метаповерхность основана на взаимосвязанной сетке нанопроволочных наноантенн, которые используются в качестве преобразователя между плазмонами, возбуждаемыми неупругим электронным туннелированием в вертикальном плоском переходе, и излучением света в дальнем поле (1a). На поперечном сечении представительного устройства (вставка на 1a) эти сшитые золотые (Au) нанопроволоки находятся поверх тонкого слоя оксида алюминия (туннельный барьер), который отделяет его от алюминиевой (Al) пленки (нижний контакт). Чтобы сделать этот барьер максимально однородным и обеспечить низкую плотность дефектов, было использовано термическое окисление аморфной пленки Al, напыленной на стеклянную подложку, что приводит к образованию тонкой пленки Al₂O₃ с самоограниченной толщиной. Метаповерхность изготавливается путем осаждения пленки Au толщиной 50 нм после тонкого (~5 нм) адгезионного слоя хрома. Нанопроволоки имеют ширину ~92 нм, фиксированный период 400 нм вдоль оси x (горизонтальное направление) и переменный период (≥100 мкм) вдоль оси y (вертикальное направление).

Схема полученного туннельного перехода показана на 1b. В экспериментах положительное напряжение смещения V_b прикладывается к слою метаповерхности Au, в то время как слой Al заземлен. Неупругое туннелирование электронов приводит к возбуждению плазмонов и последующей эмиссии фотонов, которые обнаруживаются в дальнем поле с помощью спектрометрической системы для спектрального анализа или с помощью камеры для получения изображений. Для электрического управления датчиком была использована печатная плата с набором контактных площадок (1d), которые соединены с площадками на чипе с помощью проволочного соединения. Контактная площадка каждого устройства изготавливается поверх голой стеклянной области, в то время как метаповерхность простирается над нижним контактом Al (1e). Изображение тонкой ламели, вырезанной из метаповерхности, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии (TEM от transmission electron microscopy) на 1f, демонстрирует высококачественный туннельный контакт с толщиной барьера Al₂O₃ ~5 нм. Предложенная конструкция не подразумевает пространственного перекрытия между аналитом на поверхности сенсора и источником излучения (туннельный зазор). Хотя эта конфигурация накладывает определенные ограничения на чувствительность по сравнению, например, с пикополостными сенсорами, передача оптического сигнала через более легкодоступный режим плазмонной решетки облегчает обработку аналита на практике.

Изображение №2

Важной предпосылкой для приложений зондирования является реализация устройства LIET, которое производит высокооднородное излучение на большой площади обнаружения для надежных измерений. Из-за чрезвычайной чувствительности туннельного перехода к локальным дефектам даже незначительные возмущения по длине антенн могут привести к падению напряжения и сильным изменениям интенсивности излучения. Чтобы проиллюстрировать этот момент, на 2a показана метаповерхность, изготовленная исключительно из одномерного массива горизонтальных антенн из нанопроволок с периодом 400 нм. Ее изображение LIET четко показывает такие дефектные разрывы излучения. Это проблему можно было частично решить, добавляя массив нанопроволок в направлении оси y для формирования взаимосвязанной сетки (SEM снимки на 2b, 2c).

В целом, наблюдалось, что двойная периодическая конструкция подавляет разрывы, но плотность взаимосвязей также влияет на силу интенсивности излучения. Например, изображение LIET высокоплотной сетки с 2D-массивами нанопроволок с периодом 400 нм как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях на 2b дает очень низкий выход излучения. Вместо этого на 2c показана оптимизированная метаповерхность с периодом 400 нм и 100 мкм в направлениях осей x и y соответственно. Для количественного сравнения различных конструкций оценивалась эффективность излучения как общее количество обнаруженных фотонов на туннелирующий электрон. Цветная полоса на 2a–2c и средние значения, указанные сверху, полученные из репрезентативного образца, установленного на 2.4 В, дают сравнение для трех различных конструкций. Для оптимизированной сетки (2c) было обнаружено (0.42 ± 0.21) × 10⁻⁷ фотонов на электрон в среднем по 20 различным протестированным устройствам, что примерно в 2.3 раза выше, чем для квадратной сетки с периодом 400 нм как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях (2b).

Кроме того, эта конструкция метаповерхности с меньшим количеством взаимосвязей последовательно производила высокоравномерную эмиссию на большой площади без разрывов эмиссии во всех протестированных образцах. Это является результатом благоприятного компромисса между электрической связностью, которая улучшается с более плотной сеткой, и выходом света в дальнем поле, который облегчается более редкими антеннами. Принимая во внимание возможные каналы распада для неупругого электронного туннелирования, такие как утечка излучения SPP в подложку и излучение под большими углами, которые не собираются в пределах числовой апертуры (NA от numerical aperture) объектива, общая эффективность преобразования устройства была оценена как 1.2 × 10⁻⁷ фотонов на электрон, что согласуется с теоретической оценкой в литературе (1.1 × 10⁻⁷). Хотя это значение ниже экспериментально полученного значения (1.6 × 10⁻⁶), оно компенсируется конструкцией устройства, обеспечивающей равномерное излучение на больших площадях.

Вставки на 2c представляют собой изображения в задней фокальной плоскости излучения, собранного с метаповерхности для двух ортогональных поляризаций анализатора. Диаграммы излучения показывают два характерных лепестка, которые раскрывают дипольную природу излучения, связанного с плазмонной модой сетки нанопроволок. Более слабый сигнал с аналогичной картиной, наблюдаемый для противоположной поляризации, согласуется с более низкой плотностью антенн из нанопроволок в ортогональном направлении. Эти наблюдения подтверждаются расчетами спектрального фотонного вклада с угловым разрешением ?(ω, θ, φ).

Была проведена характеризация оптимизированной метаповерхности посредством электрооптических измерений. На 2d полулогарифмический график показывает зависимость плотности тока от приложенного напряжения смещения, демонстрируя экспоненциальный профиль, типичный для туннельных переходов. Когда приложенное напряжение превышает 1.25 В, интенсивность света, обнаруженная точечным фотодетектором, увеличивается линейно с электрическим током в заштрихованной фиолетовой области. Переход между режимами прямого туннелирования и полевой эмиссии проиллюстрирован в представлении Фаулера-Нордгейма данных I(V) на 2e, которое показывает минимум при напряжении 0.8 В. Мы подгоняем данные I–V с помощью модели Симмонса, предполагая, что эффективная масса электрона составляет 0.23 m_e. Из этого анализа извлекались значения средней высоты барьера перехода φ = 2.62 эВ и ширины барьера Δs = 3.2 нм. Несоответствие результатов подгонки с данными просвечивающего электронного микроскопа указывает на наличие локальных (в масштабе антенны) неоднородностей барьерного слоя и явлений поверхностного заряда, которые могут способствовать уменьшению эффективной ширины туннельного барьера.

Изображение №3

Затем были изучены оптические свойства LIET путем измерения зависимости спектров излучения от приложенного напряжения смещения. На 3a показаны соответствующие спектры, зарегистрированные с оптимизированной метаповерхности в спектральном диапазоне 500–950 нм для напряжения смещения V_b, увеличивающегося от 1.5 В до 2.3 В. Наблюдаются две основные тенденции в спектрах: во-первых, полоса излучения смещается в сторону более коротких длин волн с ростом V_b, что объясняется линейным изменением условия отсечки с энергией испускаемых фотонов, ℏω_max = ∣eV_b∣; во-вторых, при достаточно высоком V_b (> 1.9 В) спектры начинают проявлять выраженный пик вблизи 650 нм. Изменение V_b в диапазоне 1.5–2.3 В приводит к увеличению общей интенсивности сигнала, а также к постепенному синему смещению пика с более короткой длиной волны. При приложенном напряжении 2.4 В измеренная плотность мощности излучения составляет 0.49 нВт/мм². Это доводит общую обнаруженную мощность до 40 пВт, что делает устройство пригодным для использования с большинством стандартных детекторов.

Теоретическая модель

Чтобы подробно рассмотреть происхождение наблюдаемых спектральных особенностей и их эволюцию с напряжением смещения, была введена теоретическая модель, которая описывает как процесс туннелирования, так и антенно-управляемую связь LIET с оптическим дальним полем. Спектрально разрешенная интенсивность LIET рассчитывается как произведение двух вкладов:

I_LIET(ω, V_b) ∝ H(ω, V_b) × G(ω)

где был введен спектральный электронный вклад H(ω, V_b) через туннельный слой как функцию частоты фотона ω (то есть потери энергии электрона) и приложенного потенциала V_b, а также спектральный фотонный вклад, опосредованный антенной, G(ω), описывающий распределение фотонов, исходящих из туннельного слоя Al₂O₃, в дальнем поле. Стоит отметить, что H зависит от перекрытия между электронными состояниями в электронном эмиттере и рецепторе, а также от расстояния зазора, разделяющего их, но он не зависит от оптических свойств системы. Напротив, G инкапсулирует оптический отклик, включая дальнее поле, связанное с элементами матрицы перехода, но он не зависит от элементов электронной матрицы. Результаты моделирования точно воспроизводят спектральные особенности излучения, наблюдаемые в эксперименте (3c), а также их эволюцию с увеличением V_b (3a, 3b).

Важно отметить, что модель позволяет различать относительную важность спектрального электронного вклада H(ω, V_b) и спектрального фотонного вклада, опосредованного антенной, G(ω) в результирующих спектрах. На 3d, 3e показана спектральная зависимость этих двух функций, построенная отдельно для V_b = 2.3 В. Спектральный электронный вклад H(ω, V_b) не имеет выраженных спектральных особенностей (3d), и его влияние на общую интенсивность излучения заключается в постепенном увеличении в сторону более длинных волн. Напротив, G(ω) (3e) демонстрирует спектральные изменения, связанные с оптическими модами, возбуждаемыми в структуре. Усиление G(ω) в спектральном диапазоне от 500 нм до 750 нм происходит из-за дисперсионной плазмонной решеточной моды. Чтобы проиллюстрировать это, на 3f построен график рассчитанного углового разрешения излучения. Плазмонная решеточная мода проявляется как зависящий от угла пик излучения, охватывающий диапазон волнового вектора k между 8 мкм⁻¹ и 11 мкм⁻¹. Спектры излучения при дискретном наборе углов, обозначенных пунктирными линиями на 3f, показаны на 3g.

Совместный вклад электронной компоненты H(ω, V_b) и фотонной компоненты G(ω), усредненных по угловому диапазону, соответствующему числовой апертуре собирающего объектива, приводит к формированию основной особенности в общей эмиссии (то есть пика при ~650 нм). Спектры с разрешением по углу также показывают эмиссию, связанную с бездисперсионной плазмонной щелевой модой, проявляющуюся как пик при около 1000 нм. Примечательно, что в то время как слой Cr гасит вклад моды плазмонной щели в фотонной части G, этот слой оказывает положительное влияние на общую интенсивность электролюминесценции. Это частично обусловлено существенно более высокими значениями спектрального электронного вклада H из-за лучшего соответствия между структурами электрических зон Cr и Al.

Дополнительные симуляции электрического ближнего поля наноантенны, показанные на вставках 3c, дополнительно подтверждают отнесение спектральных особенностей излучения к плазмонной решеточной моде и щелевой моде. Карта электрического ближнего поля, рассчитанная для p-поляризованного плосковолнового возбуждения на 650 нм (вставка в красном поле на 3c), показывает две характерные горячие точки на верхней поверхности антенны. Незначительное увеличение G(ω) на более длинных волнах (> 850 нм) представляет собой вклад плазмонной щелевой моды, резонансная частота которой находится за пределами спектрального диапазона обнаружения. Соответственно, распределение ближнего поля для плосковолнового возбуждения на 900 нм (вставка в желтом поле на 3c) показывает максимальное поле в изолирующем слое Al₂O₃.

Изображение №4

Чтобы протестировать оптический биосенсор на основе LIET на чипе, его протестировали с двумя органическими аналитами, используя полимерный слой полиметилметакрилата (PMMA от polymethyl methacrylate) и тонкую пленку аминокислотных биомолекул. На 4a показано LIET-изображение метаповерхности, покрытой слоем PMMA толщиной 45 нм и смещенной на 2.8 В. Чтобы проиллюстрировать изменения интенсивности излучения и спектра с аналитом и без него, после центрифугирования однородного слоя PMMA на поверхности сенсора была использована экспозиция электронным пучком (e-beam) и последующие этапы проявления для выборочного удаления полимера и создания областей, свободных от PMMA. На 4a показана прямоугольная голая область (зеленый прямоугольник), которая используется для измерений эталонных спектров, а также узорчатая область в форме логотипа EPFL (оранжевый прямоугольник). Изображение показывает 2.2-кратное усиление интенсивности излучения при ~650 нм на участках, покрытых пленкой аналита, по сравнению с голыми областями, и распределение интенсивности остается пространственно однородным. Дальнейшее понимание дают спектры излучения, показанные на 4b, которые измерены с голых (зеленая кривая) и покрытых аналитом (оранжевая кривая) интересующих областей на функционализированном устройстве LIET. Спектры показывают, что более сильная интенсивность излучения на изображении LIET в основном обусловлена усилением пика с более короткой длиной волны, соответствующего дипольной плазмонной моде нанопроволочной антенны.

Чтобы подробнее рассмотреть происхождение изменений в излучении из-за наличия пленки PMMA, был рассмотрен однородный слой толщиной 45 нм и показателем преломления 1.49 в теоретической модели, использованной выше. Изменения спектров, наблюдаемые в эксперименте, хорошо согласуются с расчетами на основе уравнения выше (4c). Доминирующим эффектом является увеличение амплитуды пика ~650 нм, что хорошо воспроизводится в расчетах (увеличение в 2.13 раза по сравнению с 2.2 раза в эксперименте). Это изменение интенсивности возникает из-за рефрактометрического спектрального красного смещения дисперсионной плазмонной решеточной моды, что улучшает связь излучения с числовой апертурой объектива.

Наконец, чтобы продемонстрировать биосенсорное применение исследуемого устройства и количественно оценить характеристики чувствительности, ученые изучили зависимость сигнала LIET от различного количества биомолекул, нанесенных на поверхность устройства. Для этих исследований ширина антенны образца была немного изменена с 92.5 нм до 120 нм. Эта новая ширина не привела к каким-либо значительным изменениям в спектральном профиле (4b, 4e), но позволила использовать объектив 10× (NA = 0.3) из-за смещения дисперсии плазмонных решеточных мод в сторону малых углов. Таким образом, удалось сравнить характеристики чувствительности с современным плазмонным биосенсором на основе массивов наноотверстий Au, оптимизированных для оптики с низкой NA. В качестве биоаналита использовался аланин, который является α-аминокислотой с химической формулой C₃H₇NO₂ и молекулярной массой 89 дальтон. Небольшие количества аланина были нанесены на поверхность образца посредством термического испарения. Во время процесса испарения использовалась теневая маска, чтобы заблокировать часть структуры, создав непокрытую область с четко определенной границей, которая служила встроенным эталоном.

На 4d показано изображение LIET поверхности сенсора, частично покрытой аланином. Подобно данным PMMA, показанным на 4a, область, покрытая аналитом, демонстрирует увеличение интенсивности LIET. Чтобы проверить предел обнаружения сенсора, ученые провели измерения для различных количеств биомолекул в диапазоне от ~5 пг до ~50 пг. На 4e показана реакция сенсора на различные дозы испаренного аналита, что указывает на постепенное увеличение обнаруженной интенсивности излучения для более высоких количеств аланина. В качестве выходной метрики для сенсора использовалась интенсивность LIET. Это имеет несколько преимуществ по сравнению с характеристикой спектрального сдвига, а именно более простой принцип обнаружения, более высокое отношение сигнал/шум и более быстрое время отклика. Излучение было интегрировано в спектральной области от 620 нм до 700 нм, поскольку это дало самую сильную модуляцию в сигнале LIET, что на практике может быть реализовано путем введения спектрального полосового фильтра в схему обнаружения. Извлеченные данные представлены на 4f, нормализованные к интегрированному излучению голого чипа.

Измерения показывают надежное обнаружение аналита вплоть до ~9 пг в области сбора сигнала, определяемой как масса, для которой отклик датчика в 3 раза больше уровня шума. Чтобы соотнести производительность устройства с современными методами, ученые использовали оптимизированный наноплазмонный биосенсор, состоящий из массивов наноотверстий Au с RIU⁻¹ 630 нм объемной чувствительности, что хорошо соответствует диапазону, указанному в литературе. Результаты демонстрируют схожую амплитуду сигнала, что подчеркивает потенциал разработанной платформы LIET для высокопроизводительного биологического зондирования.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые использовали квантовую физику для создания компактного и эффективного биосенсора, способного обнаруживать молекулы, такие как аминокислоты.

Классические оптические биосенсоры используют свет для обнаружения молекул. Точность таких сенсоров становится намного выше, если удается фокусировать световые волны вплоть до нанометрового масштаба. Это и позволяет обнаруживать невероятно малые объекты, такие как молекулы. Однако для таких устройств, а именно для генерации и фокусировки света, требуется дорогое и крупногабаритное оборудование.

Авторы исследования использовали особое явление из мира квантовой физики — неупругое электронное туннелирование. Если рассматривать электрон как волну, а не частицу, то эта волна имеет крайне низкую вероятность туннелирования через тонкий изолирующий барьер, испуская при этом фотон света. Ученые создали наноструктуру, которая является частью этого барьера и увеличивает вероятность туннелирования. Интенсивность и спектр излучаемого света меняются в ответ на контакт с молекулами, позволяя тем самым их обнаруживать.

Разработанная система является не только компактной, но и масштабируемой. Это позволяет использовать ее для создания еще более мощных портативных биосенсоров. Подобного рода разработка может быть полезна не только в области медицинской диагностики, но и для обнаружения загрязнений окружающей среды.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?