Ingenjörer vid University of California San Diego och University of California Berkeley har skapat ljusbaserad teknik som kan detektera biologiska ämnen med en molekylmassa som är mer än två storleksordningar mindre än vad som tidigare varit möjligt. Framsteg gjordes möjligt genom att bygga en enhet som krymper ljus samtidigt som man utnyttjar matematiska singulariteter som kallas exceptionella punkter (EP).

Forskningen, publiceras i Naturfysik , skulle kunna leda till utvecklingen av ultrakänsliga enheter som snabbt kan upptäcka patogener i mänskligt blod och avsevärt minska den tid som behövs för patienter att få resultat från blodprov.

"Vårt mål är att övervinna de grundläggande begränsningarna hos optiska enheter och avslöja nya fysiska principer som kan möjliggöra det som tidigare ansågs omöjligt eller mycket utmanande, sade Boubacar Kanté, docent i elektroteknik och datavetenskap och fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory, som ledde arbetet medan han var professor i el- och datateknik vid UC San Diego. "Vad jag verkligen är exalterad över är förmågan att implementera sådana singulariteter i så liten skala. Resultaten är både fundamentalt spännande och praktiskt viktiga."

Ljusets våglängd är mycket större än storleken på de flesta biologiskt relevanta ämnen. För att ljus ska interagera starkt med dessa små ämnen, dess våglängd måste minskas.

Forskarna använde plasmoner, som är små vätskor av elektroniska vågor som kan röra sig fram och tillbaka i metalliska nanostrukturer.

Gruppen placerade två plasmoniska nanoantennmatriser ovanpå varandra där varje matris producerade plasmonresonanser som styr ljusvågor av en viss frekvens. Forskarna "kopplade" sedan nano-antennmatriserna, pressa de två vågorna att mötas tills de slutligen gav resonans vid samma frekvens och, mest kritiskt, förlorad energi i samma takt - ett ögonblick som kallas den exceptionella punkten. Detta var första gången forskare har använt EP för plasmoner.

När ett externt ämne kommer i kontakt med EP och stör de synkroniserade hastigheterna för förlorad energi, enheten upptäcker ämnet med högre känslighet.

"Medan många metoder har utforskats för att göra biosensorer mer känsliga, att använda EP:n av kopplade plasmoniska nanoantenner för att höja känsligheten är ett unikt tillvägagångssätt. Det ändrar den grundläggande relationen mellan signalen och målkoncentrationen (eller kopiantalet) från en enkel linjär relation till en kvadratrotsekvation, vilket är nyckeln till designens enastående känslighet, sa Yu-Hwa Lo, professor i el- och datateknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och medförfattare till studien.

Enheten upptäckte anti-immunoglobulin G i blod, den vanligaste antikroppen i mänskligt blod för att bekämpa infektioner, vid en molekylvikt 267 gånger lättare än i tidigare rapporter med användning av plasmoniska arrayer.

Att lägga till ytterligare plasmoniska arrayer till den ursprungliga enheten kan också ytterligare öka känsligheten vid EP, sa Kanté.