Учёные создали первый самосветящийся биосенсор: революция в диагностике и мониторинге окружающей среды

Альткойны

В современной науке и технике биосенсоры играют ключевую роль в диагностике заболеваний, разработке персонализированной медицины и мониторинге загрязнений окружающей среды. Однако одним из главных ограничений оптических биосенсоров долгое время была необходимость использования громоздкого и дорогостоящего оборудования для генерации и фиксации света. Недавно сотрудники Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) совершили прорыв, создав первый в мире самосветящийся биосенсор, который работает без внешнего источника освещения. Это достижение открывает принципиально новые возможности для портативных диагностических устройств и быстрого реагирования в полевых условиях. Технология основана на квантово-физическом явлении - неупругом электронном туннелировании, благодаря чему биосенсор использует электрический ток для генерации света, фиксируя изменения при контакте с биологическими молекулами.

В основе нового устройства лежит наноструктура, которую называют метаповерхностью, состоящая из тончайшего слоя золота, сформированного в виде сетки из нанопроводов. Такая структура одновременно выполняет роль частью изолирующего барьера и усиливает вероятность испускания фотонов при прохождении электронов. Когда электрон с определенной энергией проходит через ультратонкий слой оксида алюминия и достигает золота, часть его энергии преобразуется в коллективное возбуждение – плазмон. Плазмон, в свою очередь, излучает фотон, который и используется для обнаружения биомолекул. Эта инновация не просто приводит к компактному устройству, отказывающемуся от внешней лампы или лазера; она позволяет концентрировать световые волны на нанометровом уровне, обеспечивая невероятную чувствительность.

Биосенсор способен распознавать молекулы, такие как аминокислоты и полимеры, в концентрациях порядка пикограмм – невероятно малых количествах, сравнимых с триллионной долей грамма. Высокая чувствительность достигается не только благодаря квантовым эффектам, но и уникальной форме и функции метаповерхности. Золотые нанопровода, действующие как «наноантенны», усиливают и направляют испускаемый свет в тесных объемах, что существенно улучшает взаимодействие с анализируемыми молекулами. Такой подход принципиально отличается от традиционных оптических систем, которые требуют внешнего освещения и сложных оптических компонентов. Преимущество новой технологии особенно ощутимо в контексте создания портативных устройств для быстрой диагностики и экологического мониторинга.

Компактность, удобство использования и высокая производительность делают устройство перспективным для использования в медицинских учреждениях без доступа к полноформатному лабораторному оборудованию, а также для оперативного контроля состояния окружающей среды, например, для выявления загрязняющих веществ и токсинов. Этот самосветящийся биосенсор разработан и изготовлен на базе современного Центра микро- и нанотехнологий EPFL, что гарантирует не только высокое качество, но и возможность масштабного производства. Площадь активной области датчика не превышает одного квадратного миллиметра, благодаря чему сенсор может быть интегрирован в портативные устройства и даже встроен в технику носимого формата. Разработка проводится в сотрудничестве с ведущими исследовательскими центрами и университетами Европы и Азии, включая ETH Zurich, ICFO в Испании и Yonsei University в Южной Корее, что подтверждает международный интерес и важность данного открытия. В основе работы лежит публикация в авторитетном научном издании Nature Photonics, где детально описаны методы создания метаповерхности и механизмы квантового туннелирования, обеспечивающие генерацию фотонов без внешнего воздействия света.

Экспериментальные испытания показывают устойчивость сенсора и возможность детектирования биомолекул в реальном времени без необходимости маркировки или дополнительной подготовки образцов. Это существенно облегчает работу с данными и расширяет сферы применения системы. Коллектив исследователей во главе с профессором Хатидже Алтуг отмечает, что технология может стать базой для нового поколения биосенсоров, сочетающих в себе компактность, экономичность и высокую точность. Неупругое электронное туннелирование позволяет обходиться без привычных оптических источников, сводя сложность оборудования к минимуму. Кроме медицины, потенциал нововведения велик для сельского хозяйства, пищевой промышленности и даже безопасности, где требуется быстрое и точное выявление опасных биомолекул и токсинов.

Технология также поддерживает масштабируемость производства, так как соответствует существующим методам создания сенсорных чипов. Возможность одновременной генерации и фиксации света на одном крошечном чипе делает устройство удобным для массового выпуска и внедрения в широкий спектр областей. Главные научные участники проекта подчеркивают, что несмотря на относительную редкость и сложность процесса электронного туннелирования, сплошное покрытие метаповерхности позволяет достигать необходимого количества фотонов для эффективного распознавания биомолекул. Это открывает перспективы дальнейшего развития и оптимизации данных наноструктур для повышения производительности и расширения спектра применяемых анализируемых веществ. В итоге новый самосветящийся биосенсор представляет собой качественный скачок в технологиях нанофотоники и квантовой физики, соединяя в себе уникальную возможность миниатюрности и эффективности.

Проект EPFL показывает, что современные междисциплинарные исследования способны привести к созданию сенсоров, способных работать автономно, без дополнительных источников энергии для генерации света, что радикально меняет подход к разработке диагностического оборудования. Подобные устройства наверняка станут основой для технологий будущего, которые позволят проводить диагностику на месте и в реальном времени, обеспечивая быструю реакцию в медицине и экологии, а также в контроле качества продуктов и воды. Этот прорыв несет в себе надежду на более доступные, точные и универсальные методы анализа, способствуя развитию здоровья людей и сохранению окружающей среды.