Genom att använda optiska egenskaper som först visades av de gamla romarna, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har skapat en roman, ultrakänsligt verktyg för kemikalier, DNA, och proteinanalys.

"Med den här enheten, avkänning av nanoplasmonisk spektroskopi, för första gången, blir kolorimetrisk avkänning, kräver endast blotta ögon eller vanlig synlig färgfotografering, " förklarade Logan Liu, en biträdande professor i el- och datorteknik och bioingenjör i Illinois. "Det kan användas för kemisk avbildning, biomolekylär avbildning, och integrering till bärbara mikrofluidikenheter för lab-on-chip-applikationer. Hans forskargrupps resultat presenterades i omslagsartikeln till den inledande upplagan av Avancerat optiskt material (optisk sektion av Avancerade material ).

Lycurgus -koppen skapades av romarna år 400 e.Kr. Tillverkad av ett dikroiskt glas, den berömda koppen uppvisar olika färger beroende på om ljus passerar genom den eller inte; röd när den lyser bakifrån och grön när den lyser framifrån. Det är också ursprunget till inspiration för all samtida nanoplasmonikforskning – studiet av optiska fenomen i nanoskala närhet av metallytor.

"Denna dikroiska effekt uppnåddes genom att inkludera små proportioner av minutiöst malt guld och silverdamm i glaset, " tillade Liu. "I vår forskning, vi har skapat ett stort område med hög densitet av en Lycurgus-kopp i nanoskala med ett transparent plastsubstrat för att uppnå kolorimetrisk avkänning. Sensorn består av cirka en miljard nanokoppar i en array med sub-våglängdsöppning och dekorerad med metallnanopartiklar på sidoväggar, med liknande form och egenskaper som Lycurgus-kopparna som visas på ett brittiskt museum. Liu och hans team var särskilt glada över materialets extraordinära egenskaper, ger 100 gånger bättre känslighet än någon annan rapporterad nanoplasmonisk enhet.

Kolorimetriska tekniker är främst attraktiva på grund av deras låga kostnad, användning av billig utrustning, krav på färre signaltransduktionshårdvara, och över allt, ger enkla att förstå resultat. Kolorimetrisk sensor kan användas för både kvalitativ analytisk identifiering och kvantitativ analys. Den nuvarande designen kommer också att möjliggöra ny teknikutveckling inom området DNA/protein-mikroarray.

"Vår etikettfria kolorimetriska sensor eliminerar behovet av problematisk fluorescensmärkning av DNA/proteinmolekyler, och hybridiseringen av sond och målmolekyl detekteras från sensorns färgförändring, sade Manas Gartia, första författare till artikeln, "Colorimetrics:Colorimetrisk Plasmon Resonance Imaging med Nano Lycurgus Cup Arrays." "Vår nuvarande sensor kräver bara en ljuskälla och en kamera för att slutföra DNA-avkänningsprocessen. Detta öppnar möjligheten att utveckla prisvärda, enkel och känslig mobiltelefonbaserad DNA-mikroarray-detektor inom en snar framtid. På grund av dess låga kostnad, enkel design, och hög känslighet, vi föreställer oss den omfattande användningen av enheten för DNA-mikroarrayer, terapeutisk antikroppsscreening för läkemedelsupptäckt, och patogendetektering i resursfattiga miljöer."

Gartia förklarade att ljus-materia interaktion med hjälp av sub-våglängd hål matriser ger upphov till intressanta optiska fenomen som ytplasmon polaritoner (SPP) medierad förbättrad optisk överföring (EOT). Vid EOT, mer än förväntat mängd ljus kan överföras genom nanohål på annars ogenomskinliga metalltunna filmer. Eftersom den tunna metallfilmen har speciella optiska egenskaper som kallas ytplasmonresonans (SPR) som påverkas av en liten mängd omgivande material, sådan anordning har använts som bioavkänningsapplikationer.

Enligt forskarna, de flesta av de tidigare studierna har huvudsakligen fokuserat på att manipulera tvådimensionella (2D) EOT-strukturer i planet som justering av håldiametern, form, eller avståndet mellan hålen. Dessutom, de flesta av de tidigare studierna handlar endast om raka hål. Här, EOT förmedlas huvudsakligen av SPPs, vilket begränsar känsligheten och meriter som kan erhållas från sådana anordningar.

"Vår nuvarande design använder 3D sub-våglängd avsmalnande periodiska hål array plasmonisk struktur. I motsats till SPP-medierad EOT, den föreslagna strukturen bygger på Localized Surface Plasmon (LSP)-medierad EOT, ", sa Gartia. "Fördelen med LSP:er är att den förbättrade transmissionen vid olika våglängder och med olika spridningsegenskaper kan ställas in genom att kontrollera storleken, form, och material i 3D-hålen. Den avsmalnande geometrin kommer att kanalisera och adiabatiskt fokusera fotonerna på den sub-våglängds plasmoniska strukturen i botten, leder till stora lokala elektriska fält och förbättring av EOT.

"För det andra kommer den lokaliserade resonansen som stöds av 3D-plasmonisk struktur att möjliggöra bredbandsinställning av optisk transmission genom att kontrollera formen, storlek, och period av hål såväl som formen, storlek, och period av metalliska partiklar dekorerade vid sidoväggarna. Med andra ord, vi kommer att ha mer styrbarhet över att ställa in resonansvåglängderna för sensorn."