Nanoplasmonisk Sensing's Heliga Graal

Research Project, 2017 – 2021

Inom kemi, biologi, medicin, miljöövervakning samt för civila och militära säkerhetsändamål är det mycket viktigt att kunna detektera väldigt små mängder av olika molekyler. För att göra det möjligt måste känsligare sensorer utvecklas. Denna framtidens sensorteknologi kan dock enbart åstadkommas genom nya angreppssätt, om den ska göra det möjligt att detektera enstaka molekyler, som dessutom ofta finns i mycket låg koncentration, i t.ex. ett blodprov för at påvisa en sjukdom i tidigt skede, eller i luften vi andas för att mäta förekomst av giftiga ämnen. Därför vill jag ta fram en ny typ av optisk plasmonisk nanosensor som är kopplad till ett nanofluidiskt system och därigenom drastiskt förkortar detektionstiderna - ifrån dagar till minuter - för enstaka molekyler i extremt låg koncentration. En plasmonisk nanosensor utnyttjar kollektiva svängningar av ledningselektronerna i en ädelmetallnanopartikel, en så kallad plasmonresonans, för att detektera ytterst små förändringar i nanopartikelns närmsta omgivning. Genom att mäta små skift av plasmonresonansens frekvens, har man visat att det är möjligt att detektera enstaka molekyler som binder in på nanopartikelns yta. Idag är dock detektionen av enstaka molekyler inte möjlig när deras koncentration är lägre än en viss nivå (picomolar), eftersom utspädningen då gör att det tar enormt lång tid för molekylerna att diffundera hela vägen till sensorytan där de kan bli detekterade. I detta projekt kommer jag att övervinna denna begränsning genom att tvinga molekylen som skall detekteras att, inom några få nanometer, flöda förbi plasmonsensorns mest känsliga del – så kallad ”hot spot” – genom att integrera en enstaka plasmonisk nanopartikelsensor i ett nanofluidiskt system. Denna unika kombination av nanoplasmonik och nanofluidik, som använder sig av ytterst små kanaler med diametrar av storleksordning tiotals till hundra nanometer, kommer därmed för första gången göra det möjligt att kontrollera masstransport från och till en enda plasmonisk hot spot. För att ta konkreta steg mot tillämpningar kommer vi under projektets andra hälft att utveckla de nanofabrikationsverktyg som krävs för att integrera vår nya teknologi i en banbrytande lab-on-a-chip anordning för detektion av enstaka molekyler inom medicinisk diagnostik eller för detektion av skadliga och miljöfarliga ämnen såsom kolmonoxid, eller kvävoxider, i stadsluft och inomhusmiljöer. Detta kommer att lägga grunden för kommersiell tillämpning.