Opracowanie przez naukowców z University of Exeter (Wielka Brytania) mikrolaserów zdolnych do wykrywania pojedynczych cząsteczek, a nawet jonów, to przełomowe osiągnięcie. Takie lasery mogą znacząco przyspieszyć wczesną diagnostykę chorób i badania medyczne w skali molekularnej.

Mikrolasery te to szklane kulki o średnicy od zaledwie 0,1 mm (szerokość ludzkiego włosa) do 0,01 mm (długość pojedynczej bakterii). Dzięki centralnej wnęce, która działa jak mikroskopijne lusterko, emitują i odbijają światło ruchem okrężnym wokół kulki. Ta okrężna ścieżka uwięzionego światła jest znana jako technologia laserowa trybu galerii szeptów (whispering gallery modes, WGM). Światło stale krąży wokół wewnętrznej granicy kulki, umożliwiając urządzeniu wykrywanie niezwykle małych zaburzeń na jej powierzchni. Wcześniejsze badania wykazały, że takie mikrolasery można nawet wprowadzać do żywych komórek, gdzie działają jako optyczne kody kreskowe do śledzenia ruchu komórek wewnątrz organizmów.

Jak podkreślił współautor publikacji, profesor fizyki Frank Vollmer z University of Exeter, „po raz pierwszy stworzyliśmy mikrolasery zdolne do wykrywania obiektów mniejszych niż kiedykolwiek wcześniej – w skali pojedynczych atomów i cząsteczek. To ekscytująca innowacja, ponieważ przybliża nas do nowej generacji urządzeń typu »laboratorium na chipie«, które mogłyby wcześnie diagnozować choroby takie jak nowotwory czy demencja, a także być wykorzystywane do szybkiego testowania wirusów. Mogłoby to również umożliwić nam wykrywanie niewielkich zmian strukturalnych w białkach, takich jak te związane z aktywnością enzymów i sygnalizacją białkową, czego obecnie nie potrafi żadna technologia. Tego rodzaju postęp oznaczałby ogromny skok w naszej wiedzy o mechanizmach leżących u podstaw procesów takich jak rozwój chorób”.

Zespół badawczy zastosował szereg różnych technik, aby udoskonalić lasery i zwiększyć ich czułość na pojedyncze cząsteczki, a nawet jony. Sam mikrolaser jest niezwykle precyzyjny i zdolny do rejestrowania drobnych zmian w świetle krążącym w jego wnętrzu.

Następnie naukowcy umieścili na powierzchni złote nanopręty, które koncentrują światło w maleńkich, nanometrowych punktach (hotspot), kompresując je do rozmiarów cząsteczek i wzmacniając efekt wiązania się tam pojedynczej cząsteczki lub jonu.

Na koniec zastosowali technikę zwaną detekcją samoheterodynowych dudnień (self-heterodyne beatnote detection). Kiedy cząsteczka lub jon wiąże się z jednym z nanometrowych punktów (hotspotów), nieznacznie zmienia częstotliwość dudnień, generowanych przez fale laserowe, poruszające się zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wewnątrz kuli. Zamiast bezpośrednio mierzyć ledwo dostrzegalne przesunięcie światła, system wykrywa tę niewielką zmianę częstotliwości.

Śledząc jednocześnie kilka dudnień lasera, naukowcy mogą potwierdzić aktywność zdarzeń pojedynczych cząsteczek w wielu sygnałach. Poprawia to niezawodność systemu i wzmacnia jego zdolność do wykrywania i weryfikacji oddziaływań molekularnych.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ zan/