Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме создали систему нанофотонных чипов, используя лазеры и бактерии для наблюдения флуоресценции, испускаемой одной бактериальной клеткой. Чтобы зафиксировать бактерии на месте и направить свет к отдельным бактериальным клеткам, они использовали плазмонные волноводы в форме V-образных канавок, крошечные покрытые алюминием стержни диаметром всего в несколько десятков нанометров. Новая система, описанная в журнале Nano Letters, прокладывает путь к эффективной и портативной системе на кристалле для различных сенсорных приложений, таких как обнаружение химических веществ в режиме реального времени.
Сфера встроенных фотонных устройств для биологических и химических сенсорных приложений представляет множество мощных альтернатив традиционным аналитическим методам для приложений, начиная от «лаборатории на чипе» и заканчивая мониторингом окружающей среды. Однако эти схемы обнаружения основаны в основном на обнаружении вне кристалла и требуют громоздкого устройства даже при измерении только одиночных клеток.
Команда Еврейского университета искала способы интеграции всех компонентов системы, включая источники света и детекторы, на уровне наноразмера. Это привело бы к созданию системы «лаборатория на кристалле», которая была бы небольшой, портативной и могла бы выполнять измерения в режиме реального времени.
Для этого они молекулярно сконструировали живые бактерии, которые испускают флуоресцентный сигнал в присутствии целевых соединений. Они объединили их на кристалле с наноразмерным волноводом, который не только служил для направления света, но и позволял механически улавливать отдельные бактерии в V-образной канавке.
В трех различных условиях освещения они экспериментально продемонстрировали опрос отдельной бактериальной клетки Escherichia coli с помощью наноразмерного плазмонного волновода с V-образной канавкой. Во-первых, они измерили свет, излучаемый бактерией, протекающей поверх нанопары в жидкой среде, позволив флуоресценции бактерии направить непосредственно в волновод через нанопару. Затем бактерия механически захватывалась внутри волновода с V-образной канавкой и возбуждалась лазером непосредственно либо сверху, либо через нанопару. Во всех случаях значительная флуоресценция регистрировалась из выходного наноэлемента в детектор.
Система хорошо работала как во влажной среде, когда бактерии текут поверх волновода, так и в сухих условиях, когда бактерии задерживаются внутри волновода.
Исследование проводилось под руководством профессора Уриэля Леви, директора Семейного центра Харви М. Крюгера по нанонауке и нанотехнологиям в Еврейском университете, в сотрудничестве с профессором Шимшоном Белкиным из Института наук о жизни Александра Зильбермана Еврейского университета., который разработал генетические датчики для бактерий, и профессор Андерс Кристенсен из Датского технического университета, ответственный за изготовление волноводов с V-образными канавками. Профессор Леви является заведующим кафедрой Эрика Самсона по прикладным наукам и технологиям, а профессор Белкин является заведующим кафедрой промышленной гигиены Министерства труда и социального обеспечения в Еврейском университете.
В отличие от более традиционных плазмонных волноводов, состоящих из серебра или золота, выбор алюминия сыграл решающую роль в том, что он мог направлять флуоресцентный свет, излучаемый бактериями, на всем пути к выходному нанопару. Кроме того, размеры волновода обеспечивают эффективное механическое улавливание бактерий, а многомодовые характеристики могут сыграть важную роль в сборе дополнительной информации, например.г., на конкретном положении и ориентации бактерий.
Результаты ясно указывают на возможность создания гибридной биоплазмонной системы с использованием живых клеток. Будущая работа будет включать строительство сети волноводов, диверсификацию системы для включения различных типов бактериальных сенсоров для обнаружения различных биологических или химических аналитов.