Будьте завжди в курсі!
Дізнавайтесь про новітні розробки першими
Новини
Всі новини
28 Серпня 2025
Нові генератори сигналів Siglent - SDG3000X
25 Липня 2025
Нові камери Kurokesu на базі IMX462
Плазмонний біосенсор, реалізований завдяки резонансному квантовому тунелюванню електронів
26.09.2025
Плазмонний біосенсор, реалізований завдяки резонансному квантовому тунелюванню електронів
Сучасні оптичні біосенсори широко використовуються для виявлення тонких шарів органічних і біомолекул, зокрема в медичній діагностиці та екологічному моніторингу. Проте більшості таких пристроїв потрібне зовнішнє лазерне джерело світла, що ускладнює їх мініатюризацію, підвищує енергоспоживання і здорожчує виготовлення.
У цій статті запропоновано новий підхід: плазмонний біосенсор, який сам генерує світло завдяки резонансному квантовому тунелюванню електронів (LIET). Коли електрони проходять крізь надтонкий діелектричний шар між двома металевими електродами, вони втрачають частину енергії, збуджуючи поверхневі плазмони — колективні коливання електронів, що перетворюються на фотони. Таким чином, сенсор працює без зовнішнього освітлення, що відкриває нові можливості для створення компактних і автономних біосенсорів.
Основним елементом сенсора є метаповерхня — впорядкована решітка нанодротяних антен із золота (Au), розташована над тонким шаром оксиду алюмінію (Al₂O₃) товщиною близько 5 нм. Під ним міститься алюмінієвий шар (Al), який виконує роль нижнього електрода.
Метаповерхня виконує подвійну функцію: як верхній електрод для інжекції електронів та як оптичний резонатор, що підсилює випромінювання. При подачі напруги електрони тунелюють крізь Al₂O₃, збуджують плазмони на поверхні золота і випромінюють фотони.
Рисунок 1 – Біосенсор на кристалі без міток на основі випромінювання світла з метаповерхні, збуджуваного квантовим тунелюванням електронів.
a – зображення сенсора на основі квантового тунелювання. Вставка: послідовність шарів — подвійна періодична метаповерхня з Au з тонким шаром Cr, розділена тунельним бар’єром з Al₂O₃ від шару Al (25 нм) на скляній підкладці.
b – енергетична діаграма тунельного переходу метал–діелектрик–метал, що ілюструє можливі шляхи електронів, включно з випромінюванням плазмонів/фотонів під час нееластичного тунелювання.
c – схема принципу детектування: пікова люмінесценція тунельного випромінювання на «чистій» метаповерхні (зелена крива) зміщується в червону область і посилюється при покритті аналізованим шаром (помаранчева крива).
d – оптичне зображення масиву пристроїв, підключених до металевих контактів на друкованій платі.
e – збільшене зображення з d та SEM-знімок метаповерхні.
f — високороздільний TEM-знімок тонкої ламелі, вирізаної з метаповерхні. Збільшені зони окремої антени та тунельного проміжку дозволяють оцінити товщини ізолювального шару Al₂O₃ (~5 нм) і адгезійного шару Cr (~5 нм)
Початкові прототипи мали проблему нерівномірного світіння — через надлишок контактів виникали «мертві зони» та локальні перегріви. Щоб подолати це, автори створили оптимізовану сітчасту метаповерхню з періодом 400 нм по осі x і 100 мкм по осі y, що забезпечила рівномірну інжекцію електронів і світіння на великій площі, що критично для точного вимірювання. На рисунку 2 наведено порівняння трьох типів метаповерхонь: 1D-решітки, щільної 2D-сітки і оптимізованої рідкісної 2D-сітки. Оптимізована структура дала у 2.3 раза більший квантовий вихід та рівномірну інтенсивність без «мертвих зон».
a – оптичне зображення світіння від метаповерхні з 1D решіткою горизонтальних нанодротів із періодом 400 нм (зверху) та відповідне SEM-зображення (внизу).
b – світіння від щільної 2D-сітки нанодротів з періодом 400 нм у двох напрямах (зверху) та SEM-зображення (внизу).
c – рівномірне світіння від оптимізованої сітки з періодом 400 нм по x та 100 μm по y (зверху) та SEM-знімок (внизу).Вставки у c – кутові діаграми випромінювання з різними орієнтаціями аналізатора, що демонструють дипольний характер випромінювання. Числа вказують середню кількість фотонів на електрон (у 10⁻⁷).
d – ВАХ оптимізованої метаповерхні разом з інтенсивністю електролюмінесценції (EL) при тунелюванні (нормованою на шум). Світло-фіолетова зона показує область польової емісії.
e – Графік Фаулера–Нордгейма для цих даних, що підтверджує перехід від прямого тунелювання до польової емісії при 0,8 В
Автори побудували фізичну модель LIET-випромінювання як добуток:
- електронної складової H (ω, Vb) – тунельна ймовірність;
- фотонної складової G (ω) – перетворення випромінювання антенами.
Модель пояснила появу піка ~650 нм, який походить від плазмонної ґраткової моди нанодротів, а також слабший сигнал біля 1000 нм від плазмонної щілинної моди, що добре збіглося з експериментом, рисунок 3.
a – експериментальні спектри електролюмінесценції при напругах 1.5–2.3 В.
b – теоретично розраховані спектри при тих самих умовах.
c – зіставлення розрахованого (синій) і виміряного (зелений) спектрів при 2.3 В; вставки: розподіл електричного поля в площині x–z для довжин хвиль 650 нм (червона рамка, θ = 36°) та 900 нм (жовта рамка, θ = 54°).
d – розрахована нормована електронна спектральна складова H(ω) при 2.3 В.
e – розрахована фотонна спектральна складова G(ω).
f – кутово-розподілений спектр інтенсивності випромінювання (у просторі ????0−????∣∣), що показує дисперсійну ґраткову моду і бездисперсійну щілинну моду.
g – спектри випромінювання для кутів, показаних на f штриховими лініями
Для перевірки сенсор протестували на: тонкій плівці поліметилметакрилату (PMMA) (~45 нм); амінокислоті аланін у масах 5–50 пг.
Нанесення аналітів викликало зростання інтенсивності піку ~650 нм, що пов’язано зі зсувом показника заломлення. Визначено межу виявлення ~9 пг, що співставно з найкращими сучасними наноплазмонними сенсорами, рисунок 4.
a – зображення однорідного світіння метаповерхні з покриттям (помаранчева рамка – область аналіту, ROI) та без нього (зелена рамка – контрольна область).
b – спектральна відповідь від кольорово позначених областей на a (помаранчева/зелена – з/без PMMA).
c – змодельовані спектри електролюмінесценції при тих самих умовах.
d – зображення світіння метаповерхні частково покритої аланіном (чорна рамка – область аналіту; зелена рамка – область без аналіту).
e – спектри LIET для різних кількостей аланіну, нанесеного на поверхню сенсора. Прозорі криві – вихідні дані, суцільні – згладжені по вікну 2,5 нм.
f – залежність відгуку сенсора від кількості аланіну (нормована різниця сигналу) з виділеною межею виявлення (штрихова лінія). Відгуки наведені як середнє ± стандартне відхилення для трьох зразків. Товщина шарів аланіну визначена за допомогою АСМ
В роботі створено перший самосвітний плазмонний біосенсор, який працює без зовнішнього джерела світла. Пристрій поєднує джерело випромінювання і сенсор у одній площинній структурі, що спрощує виготовлення та інтеграцію. Досягнуто рівномірного світіння на великій площі, а також чутливості до 9 пг біомолекул, що відкриває перспективи застосування у компактних портативних діагностичних приладах.
Jihye Lee, Yina Wu, Ivan Sinev, Mikhail Masharin, Sotirios Papadopoulos, Eduardo J. C. Dias, Lujun Wang, Ming Lun Tseng, Seunghwan Moon, Jong-Souk Yeo, Lukas Novotny, F. Javier García de Abajo & Hatice Altug
Nature Photonics volume 19, p. 938–945 (2025)
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y
Сучасні оптичні біосенсори широко використовуються для виявлення тонких шарів органічних і біомолекул, зокрема в медичній діагностиці та екологічному моніторингу. Проте більшості таких пристроїв потрібне зовнішнє лазерне джерело світла, що ускладнює їх мініатюризацію, підвищує енергоспоживання і здорожчує виготовлення.
У цій статті запропоновано новий підхід: плазмонний біосенсор, який сам генерує світло завдяки резонансному квантовому тунелюванню електронів (LIET). Коли електрони проходять крізь надтонкий діелектричний шар між двома металевими електродами, вони втрачають частину енергії, збуджуючи поверхневі плазмони — колективні коливання електронів, що перетворюються на фотони. Таким чином, сенсор працює без зовнішнього освітлення, що відкриває нові можливості для створення компактних і автономних біосенсорів.
Основним елементом сенсора є метаповерхня — впорядкована решітка нанодротяних антен із золота (Au), розташована над тонким шаром оксиду алюмінію (Al₂O₃) товщиною близько 5 нм. Під ним міститься алюмінієвий шар (Al), який виконує роль нижнього електрода.
Метаповерхня виконує подвійну функцію: як верхній електрод для інжекції електронів та як оптичний резонатор, що підсилює випромінювання. При подачі напруги електрони тунелюють крізь Al₂O₃, збуджують плазмони на поверхні золота і випромінюють фотони.
Рисунок 1 – Біосенсор на кристалі без міток на основі випромінювання світла з метаповерхні, збуджуваного квантовим тунелюванням електронів.
a – зображення сенсора на основі квантового тунелювання. Вставка: послідовність шарів — подвійна періодична метаповерхня з Au з тонким шаром Cr, розділена тунельним бар’єром з Al₂O₃ від шару Al (25 нм) на скляній підкладці.
b – енергетична діаграма тунельного переходу метал–діелектрик–метал, що ілюструє можливі шляхи електронів, включно з випромінюванням плазмонів/фотонів під час нееластичного тунелювання.
c – схема принципу детектування: пікова люмінесценція тунельного випромінювання на «чистій» метаповерхні (зелена крива) зміщується в червону область і посилюється при покритті аналізованим шаром (помаранчева крива).
d – оптичне зображення масиву пристроїв, підключених до металевих контактів на друкованій платі.
e – збільшене зображення з d та SEM-знімок метаповерхні.
f — високороздільний TEM-знімок тонкої ламелі, вирізаної з метаповерхні. Збільшені зони окремої антени та тунельного проміжку дозволяють оцінити товщини ізолювального шару Al₂O₃ (~5 нм) і адгезійного шару Cr (~5 нм)
Початкові прототипи мали проблему нерівномірного світіння — через надлишок контактів виникали «мертві зони» та локальні перегріви. Щоб подолати це, автори створили оптимізовану сітчасту метаповерхню з періодом 400 нм по осі x і 100 мкм по осі y, що забезпечила рівномірну інжекцію електронів і світіння на великій площі, що критично для точного вимірювання. На рисунку 2 наведено порівняння трьох типів метаповерхонь: 1D-решітки, щільної 2D-сітки і оптимізованої рідкісної 2D-сітки. Оптимізована структура дала у 2.3 раза більший квантовий вихід та рівномірну інтенсивність без «мертвих зон».
Рисунок 2 – Електро-оптична характеристика великої метаповерхні.
a – оптичне зображення світіння від метаповерхні з 1D решіткою горизонтальних нанодротів із періодом 400 нм (зверху) та відповідне SEM-зображення (внизу).
b – світіння від щільної 2D-сітки нанодротів з періодом 400 нм у двох напрямах (зверху) та SEM-зображення (внизу).
c – рівномірне світіння від оптимізованої сітки з періодом 400 нм по x та 100 μm по y (зверху) та SEM-знімок (внизу).Вставки у c – кутові діаграми випромінювання з різними орієнтаціями аналізатора, що демонструють дипольний характер випромінювання. Числа вказують середню кількість фотонів на електрон (у 10⁻⁷).
d – ВАХ оптимізованої метаповерхні разом з інтенсивністю електролюмінесценції (EL) при тунелюванні (нормованою на шум). Світло-фіолетова зона показує область польової емісії.
e – Графік Фаулера–Нордгейма для цих даних, що підтверджує перехід від прямого тунелювання до польової емісії при 0,8 В
Автори побудували фізичну модель LIET-випромінювання як добуток:
- електронної складової H (ω, Vb) – тунельна ймовірність;
- фотонної складової G (ω) – перетворення випромінювання антенами.
Модель пояснила появу піка ~650 нм, який походить від плазмонної ґраткової моди нанодротів, а також слабший сигнал біля 1000 нм від плазмонної щілинної моди, що добре збіглося з експериментом, рисунок 3.
Рисунок 3 – Експериментальний і теоретичний аналіз спектральної відповіді, пов’язаної з нееластичним тунелюванням електронів (LIET).
a – експериментальні спектри електролюмінесценції при напругах 1.5–2.3 В.
b – теоретично розраховані спектри при тих самих умовах.
c – зіставлення розрахованого (синій) і виміряного (зелений) спектрів при 2.3 В; вставки: розподіл електричного поля в площині x–z для довжин хвиль 650 нм (червона рамка, θ = 36°) та 900 нм (жовта рамка, θ = 54°).
d – розрахована нормована електронна спектральна складова H(ω) при 2.3 В.
e – розрахована фотонна спектральна складова G(ω).
f – кутово-розподілений спектр інтенсивності випромінювання (у просторі ????0−????∣∣), що показує дисперсійну ґраткову моду і бездисперсійну щілинну моду.
g – спектри випромінювання для кутів, показаних на f штриховими лініями
Для перевірки сенсор протестували на: тонкій плівці поліметилметакрилату (PMMA) (~45 нм); амінокислоті аланін у масах 5–50 пг.
Нанесення аналітів викликало зростання інтенсивності піку ~650 нм, що пов’язано зі зсувом показника заломлення. Визначено межу виявлення ~9 пг, що співставно з найкращими сучасними наноплазмонними сенсорами, рисунок 4.
Рисунок 4 – Демонстрація біосенсингу без міток за допомогою LIET на оптимізованій метаповерхні.
a – зображення однорідного світіння метаповерхні з покриттям (помаранчева рамка – область аналіту, ROI) та без нього (зелена рамка – контрольна область).
b – спектральна відповідь від кольорово позначених областей на a (помаранчева/зелена – з/без PMMA).
c – змодельовані спектри електролюмінесценції при тих самих умовах.
d – зображення світіння метаповерхні частково покритої аланіном (чорна рамка – область аналіту; зелена рамка – область без аналіту).
e – спектри LIET для різних кількостей аланіну, нанесеного на поверхню сенсора. Прозорі криві – вихідні дані, суцільні – згладжені по вікну 2,5 нм.
f – залежність відгуку сенсора від кількості аланіну (нормована різниця сигналу) з виділеною межею виявлення (штрихова лінія). Відгуки наведені як середнє ± стандартне відхилення для трьох зразків. Товщина шарів аланіну визначена за допомогою АСМ
В роботі створено перший самосвітний плазмонний біосенсор, який працює без зовнішнього джерела світла. Пристрій поєднує джерело випромінювання і сенсор у одній площинній структурі, що спрощує виготовлення та інтеграцію. Досягнуто рівномірного світіння на великій площі, а також чутливості до 9 пг біомолекул, що відкриває перспективи застосування у компактних портативних діагностичних приладах.
Jihye Lee, Yina Wu, Ivan Sinev, Mikhail Masharin, Sotirios Papadopoulos, Eduardo J. C. Dias, Lujun Wang, Ming Lun Tseng, Seunghwan Moon, Jong-Souk Yeo, Lukas Novotny, F. Javier García de Abajo & Hatice Altug
Nature Photonics volume 19, p. 938–945 (2025)
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y