En sensor som förlitar sig på reflekterat ljus för att analysera biomedicinska och kemiska prover har nu större känslighet, tack vare en matta av guld nanopartiklar. Xia Yu från A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology, tillsammans med sina elever och kollegor, har bestämt den ideala storleken på nanopartiklar för att förbättra sensorer för ytplasmonresonans (SPR).

Sådana sensorer innehåller ett prisma med en yta täckt av en tunn film av guld. När laserljus lyser genom prismat, det reflekterar mest guldet till en detektor. Dock, om ljuset träffar guldet i en viss vinkel, en del av det kopplas till elektroner i metallen för att producera elektromagnetiska vågor som kallas ytplasmonpolaritoner. Starkare koppling leder till att mindre ljus reflekteras mot detektorn.

När ett vätskeprov rinner över guldfilmen, det ändrar brytningsindex i det området och ändrar något vinkeln med vilken ljuset anländer till metallen. Detta hämmar bildandet av polaritoner vilket innebär att mer av ljuset reflekteras mot detektorn. Att variera vinkeln på laserstrålen och övervaka intensiteten av det reflekterade ljuset avslöjar sammansättningen av prover som flödar över metallytan.

Andra forskare har visat att guldnanopartiklar kan förbättra sensorns lyhördhet. Inkommande ljusgnistor lokaliserade plasmonresonanser runt nanopartiklarna som kopplas till sensorytan, vilket orsakar större förändringar i intensiteten av det reflekterade ljuset. Detta gör enheten mer känslig för ljusets ankomstvinkel och kan därför upptäcka lägre koncentrationer av de kemikalier som testas.

Yus team beräknade de optiska svaren från fyra olika guldnanopartiklar – i diameter från 40 till 80 nanometer – och bestämde att de skulle vara mest effektiva när de hölls cirka 5 nanometer ovanför guldytan. Forskarna monterade sedan de olika nanopartiklarna på guldfilmer med hjälp av en svavelhaltig molekyl som heter ditiotreitol, vilket gav det optimala 5-nanometersavståndet.

Teamets beräkningar hade föreslagit att det elektriska fältet för ytplasmonpolaritonerna skulle vara hundratals gånger större när 40 nanometer partiklar lades till ytan. "Ju starkare det elektriska fältet är, desto känsligare sensorer, " säger Yu. Tester med olika koncentrationer av glycerin- och formamidlösningar bekräftade att partiklarna på 40 nanometer verkligen erbjöd den största ökningen av känslighet. "Detektionsgränsen är minst tre storleksordningar högre än nuvarande kommersiella SPR-sensorer, säger Yu.

Yu hoppas nu kunna tillämpa denna upptäckt på ultrakänsliga sensorer som kan upptäcka spår av cancerbiomarkörer.