Forskare vid hebreiska universitetet i Jerusalem har skapat ett nanofotoniskt chipsystem som använder lasrar och bakterier för att observera fluorescens som avges från en enda bakteriecell. För att fixera bakterierna på plats och för att leda ljus mot enskilda bakterieceller, de använde V-spårformade plasmoniska vågledare, små aluminiumbelagda stavar endast tiotals nanometer i diameter. Det nya systemet, beskrivs i tidskriften Nano Letters, banar väg för ett effektivt och bärbart on-chip-system för olika cellbaserade avkänningsprogram, som att upptäcka kemikalier i realtid.

Inom området fotoniska elektroniska enheter för biologiska och kemiska avkänningsapplikationer presenteras många kraftfulla alternativ till konventionella analytiska tekniker för applikationer som sträcker sig från "lab on a chip" till miljöövervakning. Dock, dessa avkänningssystem är huvudsakligen beroende av detektering utanför chip och kräver en besvärlig apparat, även när man bara mäter enstaka celler.

Teamet på hebreiska universitetet letade efter sätt att integrera alla systemkomponenter, inklusive ljuskällor och detektorer, on-chip i nanoskala. Detta skulle resultera i ett litet-på-chip-system som är litet, bärbar och kan utföra avkänning i realtid.

För att uppnå detta, de molekylärt konstruerade levande bakterier som avger en fluorescerande signal i närvaro av målföreningar. De kopplade dessa on-chip med en nanoskala vågledare, som inte bara tjänade som syfte att styra ljus, men tillät också mekanisk infångning av enskilda bakterier i V-spåret.

Under tre olika belysningsförhållanden, de demonstrerade experimentellt förhör av en individuell Escherichia coli bakteriecell med användning av en nanoskala plasmonisk V-spårvågledare. Först, de mätte ljuset från en bakterie som flödar ovanpå nanokopplaren i en flytande miljö genom att låta fluorescensen från bakterien kopplas direkt in i vågledaren genom nanokopplaren. Nästa, en bakterie fångades mekaniskt inuti v -spårvågledaren och exciterades av laser direkt antingen uppifrån eller genom nanokopplaren. I samtliga fall, signifikant fluorescens samlades in från den utgående nanokopplaren in i detektorn.

Systemet fungerade bra både i våta miljöer, där bakterierna flyter ovanpå vågledaren, och i torra förhållanden, där bakterierna fångas in i vågledaren.

Forskningen leds av prof. Uriel Levy, Direktör för Harvey M. Krueger Family Center för nanovetenskap och nanoteknik vid hebreiska universitetet i samarbete med professor Shimshon Belkin, vid hebreiska universitetets Alexander Silberman Institute of Life Sciences, som genetiskt konstruerade bakteriesensorerna, och prof. Anders Kristensen från danska tekniska universitetet, som var ansvarig för att tillverka V-spårvågledarna. Professor Levy är Eric Samson -ordförande i tillämpad vetenskap och teknik, och professor Belkin är minister för arbets- och socialvård i industrihygien, vid hebreiska universitetet.

Till skillnad från de mer traditionella plasmoniska vågledarna som består av antingen silver eller guld, valet av aluminium var avgörande för att kunna styra det fluorescerande ljuset från bakterierna hela vägen till den utgående nanokopplaren. Vidare, vågledardimensionerna möjliggör effektiv mekanisk infångning av bakterierna och multimodegenskaperna kan bli avgörande för att samla in mer information, t.ex., om bakteriens specifika position och orientering.

Resultaten ger en tydlig indikation på genomförbarheten av att konstruera ett hybridbioplasmoniskt system med användning av levande celler. Framtida arbete kommer att omfatta byggandet av vågledarnät, diversifiera systemet för att införliva olika typer av bakteriesensorer för detektering av olika biologiska eller kemiska analytter.