Científics de la EPFL construeixen el primer biosensor autoil·luminat

Els biosensors òptics utilitzen ones de llum com a sonda per a detectar molècules i són essencials per al diagnòstic mèdic precís, la medicina personalitzada i el monitoratge ambiental. El seu rendiment millora dràsticament si poden enfocar ones de llum a escala nanomètrica (prou petita com per detectar proteïnes o aminoàcids, per exemple) mitjançant estructures nanofotòniques que concentren la llum en la superfície d'un xip diminut. No obstant això, la generació i detecció de llum per part d’aquests biosensors nanofotònics requereix equips voluminosos i costosos que limiten considerablement el seu ús en diagnòstics ràpids o en centres d'atenció immediata.

Llavors, com es crea un biosensor basat en llum sense una font de llum externa? La resposta és: amb física quàntica. Aprofitant un fenomen quàntic anomenat efecte túnel inelàstic d'electrons, investigadors del Laboratori de Sistemes Bionanofotònics de l'Escola Politècnica Federal de Lausana (EPFL) han creat un biosensor que només requereix un flux constant d'electrons —en forma de voltatge elèctric aplicat— per a il·luminar i detectar molècules simultàniament.

“Si considerem que un electró es comporta com una ona, en lloc d'una partícula, aquesta ona té una baixa probabilitat de travessar una barrera aïllant extremadament prima mentre emet un fotó de llum. El que hem fet és crear una nanoestructura que forma part d'aquesta barrera aïllant i, alhora, augmenta la probabilitat d'emissió de llum”, explica l'investigador del Laboratori de Sistemes Bionanofotònics, en Mijaíl Masharin.

Detecció d’una billonèssima de gram

En resum, la nanoestructura que va dissenyar l'equip crea les condicions ideals perquè un electró, en ascendir a través d'ella, creui una barrera d'òxid d'alumini i arribi a una capa ultrafina d'or. En el procés, l'electró transfereix part de la seva energia a una excitació col·lectiva anomenada plasmó, que emet un fotó. Aquest disseny garanteix que la intensitat i l'espectre d'aquesta llum canviïn en resposta al contacte amb biomolècules, la qual cosa resulta en un mètode potent per a la detecció extremadament sensible, en temps real i sense marcadors.

“Les proves van demostrar que nostre biosensor autoil·luminat pot detectar aminoàcids i polímers en concentracions de picograms (una billonésima part d'un gram), rivalitzant amb els sensors més avançats disponibles actualment”, afirma Hatice Altug, directora del Laboratori de Sistemes Bionanofotònics.

El treball s'ha publicat a Nature Photonics en col·laboració amb la ETH de Zuric, la Universitat de Yonsei (Corea) i el Professor ICREA i del ICFO Javier García de Abajo. Segons el professor: "En eliminar la necessitat de llum externa, hem fet un pas sòlid cap a la integració de dispositius plasmònics".

Una metasuperfície de doble propòsit  

La innovació de l'equip rau en la doble funcionalitat que han desbloquejat: la capa d'or de la seva nanoestructura és una metasuperfície, cosa que significa que presenta propietats especials que creen les condicions necessàries per a la tunelització quàntica i també que controlen l'emissió de llum resultant. Aquest control és possible gràcies a la disposició de la metasuperfície en una malla de nanofils d'or, que actuen com ‘nanoantenes’ que concentren la llum en els volums nanomètrics necessaris per a detectar biomolècules de manera eficient.

“L'efecte túnel inelàstic d'electrons és un procés de molt baixa probabilitat, però si es produeix de manera uniforme sobre una àrea molt extensa, es poden recol·lectar suficients fotons. Aquí és on hem centrat la nostra optimització, cosa que ha resultat ser una nova estratègia molt prometedora per a la biodetecció”, afirma Jihye Lee, primera autora de l'article i exinvestigadora del Laboratori de Sistemes Bionanofotònics, ara enginyera a Samsung Electronics.

A més de ser compacta i sensible, la plataforma quàntica de l'equip, fabricada en el Centre de micronanotecnologia de la EPFL, és escalable i compatible amb els mètodes de fabricació de sensors. Es requereix menys d'un mil·límetre quadrat d'àrea activa per a la detecció, la qual cosa crea una possibilitat interessant per als biosensors portàtils, a diferència de les configuracions de sobretaula actuals.

“El nostre treball ofereix un sensor totalment integrat que combina la generació i detecció de llum en un sol xip. Amb possibles aplicacions que abasten des del diagnòstic immediat fins a la detecció de contaminants ambientals, aquesta tecnologia representa una nova frontera en els sistemes de detecció d'alt rendiment”, resumeix Ivan Sinev, investigador del Laboratori de Sistemes Bionanofotònics.

Referència:

Jihye Lee, et. al., Plasmonic biosensor enabled by resonant quantum tunneling, Nature Photonics (2025).

El contingut d'aquesta notícia ha estat creat per la EPFL.