Nanoprzewodowe czujniki do badania komórek

W nanoskalowych wnękach optomechanicznych, fotony odbijają się od zwierciadeł. Ich pęd ulega wystarczającemu wzmocnieniu, by spowodować mechaniczne ugięcie oscylatora. Wykorzystanie nanomechaniki wnęk do wykrywania ugięć umożliwiło stworzenie detektorów masy i siły o niespotykanej wcześniej czułości. Jednakże gdy układ mechaniczny jest skurczony do wielkości mniejszej niż długość fali, pojawia się dyfrakcja i efekt wzmocnienia ulega zmniejszeniu.

Uczestnicy finansowanego przez UE projektu "Operation of cavity optomechanics in fluids for ultrasensitive mass detection" (OPTONANOMECH) zajęli się tym i innymi zagadnieniami, aby utorować drogę ku ultraczułym pomiarom wewnątrz pojedynczych żywych komórek. Naukowcy osiągnęli ten cel dzięki użyciu aktywnej oscylacji, która umożliwiła uzyskanie dużej czułości w temperaturze otoczenia i bez próżni.

Rezonator nanomechaniczny jest elementem układu fotonicznego, w taki sposób że wzbudzanie i detekcja mają charakter w całości optyczny. Aktywna oscylacja wynikająca z oddziaływania zwrotnego wnęki eliminuje potrzebę stosowania zmiennoprądowej siły napędowej. Pozwala to nie tylko pozbyć się ograniczenia dotyczącego wielkości, narzucanego przez połączenia elektryczne, ale także, co jeszcze ważniejsze, rozwiązać problem dyfrakcji i uzyskać rekordową czułość. Dzięki temu możliwe jest zaprojektowanie nowych wnęk o dokładności pomiarów potencjalnie na poziomie limitu kwantowego, czyli ograniczenia dokładności pomiaru w skali kwantowej wynikającego z efektów oddziaływania zwrotnego. Brak konieczności zewnętrznego wzbudzania pozwala na radykalne uproszczenie nowych czujników.

Przy pomocy półprzewodnikowego nanoprzewodowego systemu detekcji optycznej naukowcom udało się wykryć kilka zeptogramów (mniej więcej tyle, ile wynosi masa protonu lub atomu wodoru) w cieczy z krótkimi nanoprzewodami. Taka czułość umożliwiłaby wykrywanie pojedynczych zdarzeń zachodzących między ligandami i receptorami, tj. wiązania cząsteczek z receptorami na zasadzie podobnej do zamka i klucza. Zdarzenia te są kluczowymi procesami dla sygnałowania wewnątrz- i międzykomórkowego. Ponieważ nanoprzewody mogą penetrować błonę komórkową, system nadaje się także do wewnątrzkomórkowego dostarczania leków i genów oraz monitorowania wewnątrzkomórkowego.

Ultraczuła detekcja masy i siły w temperaturze pokojowej i w cieczach toruje drogę ku wykrywaniu dynamicznych zdarzeń biologicznych w realistycznych warunkach oraz w czasie rzeczywistym. Przeniesienie tego rozwiązania z laboratorium do kliniki pozwoli na uzyskanie rewolucyjnego nowego narzędzia do diagnostyki, monitorowania i leczenia chorób. Projekt OPTONANOMECH tworzy podwaliny tych osiągnięć.