Nieuwe vooruitgang in nanofotonica heeft het potentieel om op licht gebaseerde biosensoren te verbeteren

Terwijl COVID-19 dit jaar over de wereld vloog en honderdduizenden levens eiste, werd al snel duidelijk dat een essentiële factor voor het beheersen van de verspreiding de mogelijkheid is om snel en nauwkeurig te testen op het virus dat het veroorzaakt, SARS-CoV-2. evenals de antilichamen die het produceert.

Nu hebben wetenschappers van de Universiteit van New Mexico en de Autonome Universiteit van Madrid (UAM) in Spanje een nieuwe studie gepubliceerd die volgens hen zou kunnen bijdragen aan snellere en effectievere tests op virussen zoals SARS-CoV-2. Hun werk, getiteld “Super- and Subradient Lattice Resonances in Bipartite Nanoparticle Arrays”, werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

Onder leiding van assistent-professor Alejandro Manjavacas van de Theoretische Nanofotonica-groep van de UNM-afdeling Fysica en Astronomie, en Antonio Fernańdez-Domínguez van UAM, valt het werk onder het domein van nanofotonica, het veld dat de interacties tussen licht en objecten met afmetingen bestudeert in de orde van honderden nanometers. Ter referentie: de dikte van een mensenhaar is ongeveer 40.000 nm, terwijl de grootte van het virus dat COVID-19 veroorzaakt 125 nm is.

Veel toepassingen van nanofotonica, waaronder ultragevoelige biosensing, die nodig is om virussen zoals SARS-CoV-2 te detecteren, en laserwerking op nanoschaal, die kan worden gebruikt om coherent licht van een gewenste kleur te produceren, vertrouwen op systemen die alleen reageren op een zeer smal bereik van kleuren, of, met andere woorden, golflengten van licht. Een manier om systemen met spectraal smalle responsen zoals deze te ontwerpen, is door te profiteren van de collectieve interacties tussen een verzameling metalen nanodeeltjes, kleine structuren met afmetingen op nanoschaal, gerangschikt op een geordende manier, een periodieke array genaamd.

In de studie keken de onderzoekers specifiek naar periodieke arrays die nanodeeltjes van twee verschillende groottes bevatten, in plaats van meer gebruikelijke arrangementen met volledig uniforme.

“Het samenspel tussen de twee verschillende nanodeeltjes geeft aanleiding tot nog nauwere reacties dan arrays met deeltjes van slechts één grootte”, zegt Alvaro Cuartero-González, een afgestudeerde student aan de UAM en hoofdauteur van het artikel. “En, als extra bonus, maakt het ze robuuster tegen fabricage-imperfecties, zodat arrays met de gewenste respons gemakkelijker in laboratoria kunnen worden gebouwd.”

Deze grotere robuustheid kan een enorm verschil maken als het gaat om massaproductie van tests of andere apparaten die gebruikmaken van de optische respons van deze systemen.

Dit opwindende werk omvatte een combinatie van semi-analytische berekeningen en rigoureuze numerieke simulaties, uitgevoerd door de synergetische samenwerking van drie afgestudeerde studenten Cuartero-González, die UNM bezochten tussen september 2019 en februari 2020, evenals Stephen Sanders en Lauren Zundel, beiden van het UNM Department of Physics and Astronomy.

“Onze semi-analytische voorspellingen geven inzicht in de fysica achter onze resultaten, terwijl de numerieke berekeningen hielpen om hun validiteit te bevestigen”, zei Sanders over het werk. “De sleutel tot het begrijpen van de robuustheid van het systeem komt van onze berekeningen voor eindige systemen”, voegt Zundel toe.

“Het combineren van de expertise van de twee groepen was essentieel voor het succes van dit werk”, zei Manjavacas van de samenwerking.

Fernández-Domínguez is het daarmee eens en voegt eraan toe: “Ik hoop dat dit slechts het begin is van veel gezamenlijke inspanningen tussen ons.”