Инженеры EPFL разработали биосенсор, которому не требуется внешний источник света для обнаружения молекул. Устройство использует квантовое явление — неупругое туннелирование электронов — и работает от постоянного электрического напряжения. Разработка открывает путь к созданию компактных и чувствительных биодатчиков для быстрой диагностики и мониторинга среды.

Биосенсоры, основанные на световых волнах, считаются ключевыми инструментами в медицине и экологии. Их чувствительность возрастает при использовании нанофотонных структур, способных фокусировать свет до нанометрового масштаба. Однако стандартные сенсоры требуют громоздкого и дорогого оборудования для генерации света, что ограничивает их применение. Исследователи из Лаборатории бионанофотонных систем EPFL совместно с коллегами из ETH Zurich, ICFO и Университета Ёнсе предложили решение. Они создали наноструктуру, в которой электроны, проходя через изолирующий барьер из оксида алюминия к слою золота, возбуждают плазмоны. Те, в свою очередь, испускают фотоны. Свет, возникающий при этом процессе, взаимодействует с биомолекулами на поверхности сенсора. Его характеристики — интенсивность и спектр — изменяются в зависимости от типа молекул, что позволяет проводить высокоточное обнаружение в режиме реального времени без меток.

Эксперименты показали, что сенсор способен обнаруживать аминокислоты и полимеры в концентрациях пикограммов — триллионных долях грамма. Это сопоставимо с уровнем лучших современных оптических датчиков. Ключевым элементом конструкции стала золотая метаповерхность, организованная в виде сетки нанопроволок. Эти структуры работают как наноантенны, усиливающие свет и создающие условия для квантового туннелирования. Оптимизация устройства позволила добиться стабильного испускания фотонов на площади менее одного квадратного миллиметра. Это открывает перспективы для создания портативных сенсоров, заменяющих громоздкие лабораторные установки.

Разработка выполнена в Центре микронанотехнологий EPFL и совместима с современными методами массового производства сенсоров. По словам учёных, технология может использоваться как в медицине, так и в экологическом мониторинге.

«Мы объединили генерацию и детектирование света в одном чипе. Это шаг к новым поколениям компактных и чувствительных сенсорных платформ», — отметил научный сотрудник лаборатории Иван Синев.