Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) haben einen neuen Biosensor entwickelt, der ohne externe Lichtquelle auskommt. Stattdessen erzeugt das System sein eigenes Licht – direkt auf dem Chip. Die Grundlage dafür bildet ein quantenphysikalisches Phänomen: das inelastische Elektronentunneling.
Diese Entwicklung könnte die Nutzung optischer Sensoren erheblich vereinfachen, vor allem im medizinischen Bereich, in der Umweltüberwachung oder in der mobilen Analytik.
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Klassische Biosensorik: Licht rein, Signal raus
Optische Biosensoren verwenden Lichtwellen, um kleinste Mengen biologischer Moleküle nachzuweisen. Sie gehören heute zu den genauesten Diagnosewerkzeugen, etwa in der Krebstherapie oder beim Nachweis von Viren. Normalerweise müssen diese Sensoren jedoch von außen beleuchtet werden. Das geschieht meist mit einem Laser oder einer LED, kombiniert mit aufwendiger Linsentechnik.
Diese externen Lichtquellen machen die Geräte jedoch teuer, sperrig und schwer mobil einsetzbar – etwa direkt am Krankenbett oder bei Feldmessungen.
Wie kann man Licht ohne Licht erzeugen?
Die Lösung liefert ein quantenphysikalischer Effekt: das sogenannte inelastische Elektronentunneling. Dabei durchdringen Elektronen eine extrem dünne isolierende Schicht – ein Phänomen, das sich mit klassischer Physik nicht erklären lässt. Auf ihrer „Tunnelfahrt“ verlieren die Elektronen einen kleinen Teil ihrer Energie, der in Form eines Lichtteilchens (Photons) abgegeben wird.
Das Team um Hatice Altug vom Bionanophotonic Systems Laboratory an der EPFL nutzte dieses Prinzip, um einen Biosensor zu entwickeln, der ganz ohne externe Lichtquelle funktioniert. Das System benötigt lediglich eine konstante elektrische Spannung, um gleichzeitig Licht zu erzeugen und die gemessenen Moleküle zu erkennen.
Was ist inelastisches Elektronentunneling?
Beim inelastischen Elektronentunneling durchdringt ein Elektron eine extrem dünne isolierende Schicht – ein Phänomen, das sich nur mit Quantenmechanik erklären lässt. Während dieses „Tunnelvorgangs“ verliert das Elektron einen Teil seiner Energie, die in Form eines Photons (Lichtteilchens) abgegeben wird. Diese Lichtemission lässt sich gezielt nutzen, um Moleküle sichtbar zu machen – ganz ohne externe Lichtquelle.
Nanostruktur lenkt Licht direkt auf die Probe
Kernstück der Technologie ist eine spezielle Nanostruktur aus Aluminiumoxid und Gold. Die isolierende Aluminiumschicht dient als Barriere, durch die Elektronen tunneln. Sobald sie die Goldschicht erreichen, regen sie sogenannte Plasmonen an – kollektive Schwingungen der Elektronen im Metall –, die wiederum Licht emittieren.
„Wenn man sich ein Elektron nicht als Teilchen, sondern als Welle vorstellt, hat diese Welle eine gewisse geringe Wahrscheinlichkeit, durch eine extrem dünne isolierende Barriere zu ‚tunneln‘ und dabei ein Lichtphoton zu emittieren“, erklärt Mikhail Masharin, einer der beteiligten Ingenieure.
Detektion von Molekülen im Pikogramm-Bereich
Die Lichtintensität und das Spektrum ändern sich, sobald Biomoleküle mit der Oberfläche der Struktur in Kontakt kommen. Das macht den Sensor äußerst empfindlich.
„Tests haben gezeigt, dass unser selbstleuchtender Biosensor Aminosäuren und Polymere in Pikogrammkonzentrationen – das ist ein Billionstel Gramm – nachweisen kann und damit mit den modernsten derzeit verfügbaren Sensoren mithalten kann“, sagt Hatice Altug.
Besonders wichtig: Die Detektion funktioniert markierungsfrei. Es müssen also keine fluoreszierenden Farbstoffe oder andere Hilfsmittel eingesetzt werden, wie es bei klassischen Verfahren oft nötig ist.
Doppelfunktion durch Metasurface
Eine weitere Innovation liegt im Aufbau der Goldschicht. Diese bildet eine sogenannte Metasurface – eine speziell strukturierte Oberfläche mit Eigenschaften, die bei herkömmlichen Materialien nicht vorkommen. Die Goldstruktur besteht aus einem Gitter feinster Nanodrähte, die wie Antennen wirken.
Diese „Nanoantennen“ sammeln das Licht und konzentrieren es auf winzige Bereiche im Nanometermaßstab. Genau dort interagiert das Licht mit den Biomolekülen. So wird eine hochauflösende Echtzeitmessung möglich.
„Der unelastische Elektronentunneleffekt ist ein sehr unwahrscheinlicher Prozess, aber wenn ein unwahrscheinlicher Prozess gleichmäßig über einen sehr großen Bereich auftritt, kann man dennoch genügend Photonen sammeln. Darauf haben wir unsere Optimierung konzentriert“, erklärt Jihye Lee, ehemalige Forscherin an der EPFL.
Was sind Metasurfaces?
Metasurfaces sind speziell strukturierte Oberflächen mit Eigenschaften, die bei natürlichen Materialien nicht vorkommen. Im EPFL-Sensor besteht die Metasurface aus einem Gitter aus Gold-Nanodrähten. Diese wirken wie winzige Antennen und bündeln das Licht auf kleinstem Raum. So wird eine hochempfindliche Erkennung selbst winziger Mengen biologischer Moleküle ermöglicht.
Integration auf Chipgröße – neue Wege in der Diagnostik
Der gesamte Sensor benötigt weniger als einen Quadratmillimeter aktive Fläche. Das bedeutet: Die Technologie lässt sich problemlos auf einem Chip unterbringen und mit vorhandenen Sensorplattformen kombinieren.
„Unsere Arbeit liefert einen vollständig integrierten Sensor, der Lichtgenerierung und -detektion auf einem einzigen Chip vereint. Mit potenziellen Anwendungen, die von der Point-of-Care-Diagnostik bis zur Erkennung von Umweltkontaminanten reichen, stellt diese Technologie eine neue Grenze in der Hochleistungs-Sensortechnik dar“, fasst Ivan Sinev vom Bionanophotonic Systems Lab zusammen.
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