Biosensorer integrerade i smartphones, smarta klockor och andra prylar är på väg att bli verklighet. I en tidning på omslaget till januarinumret av Sensorer , forskare från Moskvainstitutet för fysik och teknik beskriver ett sätt att öka känsligheten hos biologiska detektorer till den grad att de kan användas i mobila och bärbara enheter.

En biosensor är en elektrokemisk anordning som bestämmer sammansättningen av biologiska vätskor i realtid. Blodsockermätare som används av diabetespatienter kan mycket väl vara den enda bioavkänningsanordningen på massmarknaden som används idag. Men framtidsforskare säger att hushållsapparater snart kommer att kunna analysera svett, saliv, vattenhaltig humor, och andra kroppsvätskor för att identifiera en person, göra medicinska tester, diagnostisera sjukdom, eller kontinuerligt övervaka en individs hälsa och ge optimala kostförslag därefter.

Tills nyligen, sådana ansökningar övervägdes inte seriöst, eftersom de tillgängliga enheterna inte var tillräckligt känsliga och var oöverkomligt dyra för konsumentmarknaden. Dock, det kan vara så att ett genombrott är på väg att ske. Ett team av forskare från MIPT Center for Photonics and 2-D Materials har föreslagit en radikalt ny biosensordesign, vilket skulle kunna öka detektorns känslighet många gånger om och erbjuda en lika imponerande prissänkning.

"En konventionell biosensor innehåller en ringresonator och en vågledare placerade i samma plan, " förklarade MIPT doktorand Kirill Voronin från Laboratory of Nanooptics and Plasmonics, som kom på idén som användes i studien. "Vi bestämde oss för att separera de två elementen och placera dem i två olika plan, med ringen ovanför vågledaren."

Anledningen till att forskare inte testade den sensorlayouten tidigare är att tillverkningen av en lägenhet, enhet på en nivå är lättare i laboratoriemiljö. Genom att avsätta en tunn film och etsa den, både en ringresonator och en vågledare produceras samtidigt. Den alternativa designen på två nivåer är mindre bekväm för tillverkning av unika experimentella enheter, men det blev billigare för massproducerande sensorer. Anledningen till detta är att de tekniska processerna vid en elektronikfabrik är inriktade på aktiv komponentplacering lager för lager.

Mer viktigt, den nya tvåskiktiga biosensordesignen resulterade i en mångdubbelt högre känslighet.

En biosensor fungerar genom att registrera de små förändringarna i brytningsindex vid dess yta, som orsakas av organisk molekyladsorption. Dessa variationer detekteras via en resonator vars resonansförhållanden beror på det externa mediets brytningsindex. Eftersom även de minsta fluktuationer i brytningsindex orsakar en signifikant resonant toppskifte, en biosensor reagerar på nästan varje molekyl som landar på dess yta.

"Vi har placerat bandvågledaren under resonatorn, i bulk dielektrikum, " sa pappersmedförfattaren Aleksey Arsenin, en ledande forskare vid MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics. "Resonatorn, i tur och ordning, är vid gränsytan mellan det dielektriska substratet och den yttre miljön. Genom att optimera brytningsindexen för de två omgivande media, vi uppnår en betydligt högre känslighet."

Den nyligen föreslagna biosensorlayouten har både ljuskällan och detektorn av ljus i dielektrikumet. Den enda del som finns kvar på utsidan är det känsliga elementet. Det är, guldringen flera dussin mikrometer i diameter och en tusendels tjocklek (fig. 1).

Enligt Voronin, teamets metod för att göra biosensorer mer lyhörda kommer att ta tekniken till en kvalitativt ny nivå. "Den nya layouten är tänkt att göra biosensorer mycket lättare att tillverka, och därför billigare, ", sade fysikern. "Optisk litografi är den enda tekniken som är nödvändig för att producera detektorer baserade på vår princip. Inga rörliga delar är inblandade, och en avstämbar laser som arbetar i ett snävt frekvensområde kommer att räcka."

Valentin Volkov, som leder MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, uppskattar att det kommer att ta cirka tre år att utveckla en industriell design baserad på den föreslagna tekniken.