Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego et de l'Université de Californie à Berkeley ont créé une technologie basée sur la lumière qui peut détecter des substances biologiques dont la masse moléculaire est inférieure de plus de deux ordres de grandeur à ce qui était auparavant possible. L'avancée a été rendue possible par la construction d'un dispositif qui rétrécit la lumière tout en exploitant des singularités mathématiques connues sous le nom de points exceptionnels (PE).

La recherche, Publié dans Physique de la nature , pourrait conduire au développement de dispositifs ultra-sensibles capables de détecter rapidement les agents pathogènes dans le sang humain et de réduire considérablement le temps nécessaire aux patients pour obtenir les résultats des analyses de sang.

"Notre objectif est de surmonter les limitations fondamentales des dispositifs optiques et de découvrir de nouveaux principes physiques qui peuvent permettre ce qui était auparavant considéré comme impossible ou très difficile, " dit Boubacar Kanté, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique et chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory, qui a dirigé les travaux alors qu'il était professeur de génie électrique et informatique à l'UC San Diego. "Ce qui me passionne vraiment, c'est la capacité de mettre en œuvre de telles singularités à une si petite échelle. Les résultats sont à la fois fondamentalement passionnants et importants sur le plan pratique."

La longueur d'onde de la lumière est beaucoup plus grande que la taille de la plupart des substances biologiquement pertinentes. Pour que la lumière interagisse fortement avec ces petites substances, sa longueur d'onde doit être réduite.

Les chercheurs ont utilisé des plasmons, qui sont de petits fluides d'ondes électroniques qui peuvent aller et venir dans les nanostructures métalliques.

Le groupe a placé deux réseaux de nano-antennes plasmoniques l'un sur l'autre, chaque réseau produisant des résonances plasmoniques qui contrôlent les ondes lumineuses d'une certaine fréquence. Les chercheurs ont ensuite "couplé" les réseaux de nano-antennes, pousser les deux ondes à se rapprocher jusqu'à ce qu'elles résonnent enfin à la même fréquence et, le plus critique, l'énergie perdue au même rythme, un moment connu sous le nom de point exceptionnel. C'était la première fois que des chercheurs utilisaient des EP pour les plasmons.

Lorsqu'une substance externe entre en contact avec le PE et perturbe les taux synchronisés d'énergie perdue, l'appareil détecte la substance avec une sensibilité plus élevée.

« Alors que de nombreuses méthodes ont été explorées pour rendre les biocapteurs plus sensibles, l'utilisation de l'EP de réseaux de nano-antennes plasmoniques couplées pour augmenter la sensibilité est une approche unique. Il modifie la relation de base entre le signal et la concentration cible (ou le nombre de copies) d'une simple relation linéaire à une équation de racine carrée, qui est la clé de la superbe sensibilité du design, " dit Yu-Hwa Lo, professeur de génie électrique et informatique à la UC San Diego Jacobs School of Engineering et co-auteur de l'étude.

L'appareil a détecté des anti-immunoglobulines G dans le sang, l'anticorps le plus courant dans le sang humain pour combattre l'infection, à un poids moléculaire 267 fois plus léger que dans les rapports précédents utilisant des réseaux plasmoniques.

L'ajout de réseaux plasmoniques supplémentaires au dispositif d'origine pourrait également augmenter davantage la sensibilité au PE, dit Kanté.