Nanoplasmonic Sensing's Holy Grail
- Reference number
- FFL15-0087
- Start and end dates
- 170101-221231
- Amount granted
- 11 925 444 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Life Science Technology
Summary
Measuring tiny amounts of molecules is a key task in chemistry, biology, medicine, environmental monitoring and homeland security. Therefore, nanosensors have been designed to achieve detection of single molecules, which may signal a disease from a blood sample or the presence of a toxic substance in the air we breathe. However, while these efforts have proven single molecule detection, they ignore the fact that molecules are free to diffuse in three dimensions, rendering nanosensors intrinsically diffusion limited. Thus, without beyond-state-of-the-art measures, such sensors cannot practically be used to detect single molecules at ultralow concentrations since detection times are on the order of days. In response, this project will establish a new sensing paradigm by for the first time positioning single plasmonic nanoantenna sensors inside single nanofluidic structures. This will break the intrinsic diffusion limitation of nanosensors by enabling direct and ultrafast analyte mass transport to single plasmonic hot spots to reduce single molecule detection times from days to minutes. We will also establish multiplexing by reading off multiple specifically functionalized nanofluidic plasmonic sensors simultaneously, and initiate efforts towards full integration of the entire platform in a true lab-on-a-chip device. In this way the project will unlock the urgently needed breakthroughs to fully capitalize on the potential of miniaturized nanoplasmonic gas- and biosensors.
Popular science description
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.