Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego y la Universidad de California en Berkeley han creado una tecnología basada en la luz que puede detectar sustancias biológicas con una masa molecular más de dos órdenes de magnitud menor de lo que era posible anteriormente. El avance fue posible gracias a la construcción de un dispositivo que encoge la luz mientras explota singularidades matemáticas conocidas como puntos excepcionales (EP).

La investigación, publicado en Física de la naturaleza , podría conducir al desarrollo de dispositivos ultrasensibles que pueden detectar rápidamente patógenos en la sangre humana y reducir considerablemente el tiempo necesario para que los pacientes obtengan los resultados de los análisis de sangre.

"Nuestro objetivo es superar las limitaciones fundamentales de los dispositivos ópticos y descubrir nuevos principios físicos que puedan permitir lo que antes se creía imposible o muy desafiante, "dijo Boubacar Kanté, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y científico de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, quien dirigió el trabajo mientras era profesor de ingeniería eléctrica e informática en UC San Diego. "Lo que realmente me entusiasma es la capacidad de implementar tales singularidades a una escala tan pequeña. Los resultados son fundamentalmente emocionantes y prácticamente importantes".

La longitud de onda de la luz es mucho mayor que el tamaño de la mayoría de las sustancias biológicamente relevantes. Para que la luz interactúe fuertemente con estas pequeñas sustancias, su longitud de onda debe reducirse.

Los investigadores utilizaron plasmones, que son pequeños fluidos de ondas electrónicas que pueden moverse hacia adelante y hacia atrás en nanoestructuras metálicas.

El grupo colocó dos matrices de nano antenas plasmónicas una encima de la otra y cada matriz producía resonancias de plasmón que controlan las ondas de luz de una determinada frecuencia. Luego, los investigadores "acoplaron" las matrices de nano-antenas, empujando las dos ondas para que se junten hasta que finalmente resuenen en la misma frecuencia y, más críticamente, perdió energía al mismo ritmo, un momento conocido como el punto excepcional. Esta fue la primera vez que los investigadores utilizaron EP para plasmones.

Cuando una sustancia externa entra en contacto con el EP y perturba las tasas sincronizadas de energía perdida, el dispositivo detecta la sustancia con mayor sensibilidad.

"Si bien se han explorado muchos métodos para hacer que los biosensores sean más sensibles, usar el EP de matrices de nano antenas plasmónicas acopladas para aumentar la sensibilidad es un enfoque único. Altera la relación básica entre la señal y la concentración objetivo (o número de copias) de una relación lineal simple a una ecuación de raíz cuadrada, que es clave para la soberbia sensibilidad del diseño, "dijo Yu-Hwa Lo, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y coautor del estudio.

El dispositivo detectó antiinmunoglobulina G en sangre, el anticuerpo más común en la sangre humana para combatir infecciones, a un peso molecular 267 veces más ligero que en informes anteriores utilizando matrices plasmónicas.

Agregar matrices plasmónicas adicionales al dispositivo original también podría aumentar aún más la sensibilidad en el EP, Dijo Kanté.