I ricercatori dell'Università Ebraica di Gerusalemme hanno creato un sistema di chip nanofotonici utilizzando laser e batteri per osservare la fluorescenza emessa da una singola cellula batterica. Per fissare i batteri in posizione e indirizzare la luce verso le singole cellule batteriche, hanno usato guide d'onda plasmoniche a forma di V-groove, minuscole aste rivestite di alluminio solo decine di nanometri di diametro. Il nuovo sistema descritto nella rivista Nano Letters, apre la strada a un sistema on-chip efficiente e portatile per diverse applicazioni di rilevamento basate su celle, come il rilevamento di sostanze chimiche in tempo reale.

Il campo dei dispositivi fotonici su chip per applicazioni di rilevamento biologico e chimico presenta molte potenti alternative alle tecniche analitiche convenzionali per applicazioni che vanno dal "lab on a chip" al monitoraggio ambientale. Però, questi schemi di rilevamento si basano principalmente sul rilevamento off-chip e richiedono un apparato ingombrante, anche quando si misurano solo singole celle.

Il team dell'Università Ebraica ha cercato modi per integrare tutti i componenti del sistema, comprese sorgenti luminose e rilevatori, su chip su scala nanometrica. Ciò si tradurrebbe in un sistema lab-on-chip di piccole dimensioni, portatile e può eseguire il rilevamento in tempo reale.

Per realizzare questo, hanno ingegnerizzato molecolarmente batteri vivi che emettono un segnale fluorescente in presenza di composti bersaglio. Hanno accoppiato questi su chip con una guida d'onda su nanoscala, che non solo serviva a guidare la luce, ma ha anche permesso l'intrappolamento meccanico di singoli batteri all'interno della scanalatura a V.

In tre diverse condizioni di illuminazione, hanno dimostrato sperimentalmente l'interrogazione di una singola cellula batterica di Escherichia coli utilizzando una guida d'onda con scanalatura a V plasmonica su nanoscala. Primo, hanno misurato la luce emessa da un batterio che scorre sopra il nanoaccoppiatore in un ambiente liquido consentendo alla fluorescenza del batterio di essere accoppiata direttamente nella guida d'onda attraverso il nanoaccoppiatore. Prossimo, un batterio è stato intrappolato meccanicamente all'interno della guida d'onda della scanalatura a V ed è stato eccitato dal laser direttamente dall'alto o attraverso il nanoaccoppiatore. In tutti i casi, una fluorescenza significativa è stata raccolta dal nano accoppiatore di uscita nel rivelatore.

Il sistema ha funzionato bene sia in ambienti umidi, dove i batteri scorrono sopra la guida d'onda, e in condizioni asciutte, dove i batteri sono intrappolati all'interno della guida d'onda.

La ricerca è stata guidata dal Prof. Uriel Levy, Direttore dell'Harvey M. Krueger Family Center for Nanoscience and Nanotechnology presso l'Università Ebraica in collaborazione con il Prof. Shimshon Belkin, presso l'Alexander Silberman Institute of Life Sciences dell'Università Ebraica, chi ha ingegnerizzato geneticamente i sensori batterici, e il prof. Anders Kristensen dell'Università tecnica danese, che era incaricato di fabbricare le guide d'onda V-groove. Il prof. Levy è la cattedra Eric Samson in Scienze e tecnologie applicate, e il prof. Belkin è cattedra di igiene industriale del Ministero del lavoro e della previdenza sociale, all'Università Ebraica.

A differenza delle più tradizionali guide d'onda plasmoniche costituite da argento o oro, la scelta dell'alluminio è stata determinante per poter guidare la luce fluorescente emessa dai batteri fino al nanoaccoppiatore di uscita. Per di più, le dimensioni della guida d'onda consentono un'efficace intrappolamento meccanico dei batteri e le caratteristiche multimodali possono diventare strumentali nella raccolta di più informazioni, per esempio., sulla posizione e l'orientamento specifici dei batteri.

I risultati forniscono una chiara indicazione della fattibilità della costruzione di un sistema bioplasmonico ibrido utilizzando cellule vive. I lavori futuri includeranno la costruzione della rete di guide d'onda, diversificare il sistema per incorporare diversi tipi di sensori batterici per il rilevamento di vari analiti biologici o chimici.