Рис.1 Схематическая диаграмма и фотография недавно разработанного терагерцового (ТГц) биохимического чипа. Чип изготовлен из GaAs, нелинейного оптического кристалла, и состоит из пяти блоков метаматериала и одного микроканала на поверхности. При облучении фемтосекундным лазером с задней поверхности кристалла генерируется точечный источник терагерцового света для взаимодействия с раствором. Кредит: Казунори Серита

Измеряя сдвиг длины волны пикового коэффициента пропускания источника терагерцового излучения, можно измерить концентрацию даже следов растворенных загрязняющих веществ в крошечной капле воды. Эта работа может привести к созданию портативных датчиков для таких приложений, как раннее выявление заболеваний, разработка лекарств и мониторинг загрязнения воды.

Технология «лаборатория на чипе» — захватывающая область исследований. Возможность тестировать образцы пациентов у постели больного или контролировать качество воды в полевых условиях с помощью портативного устройства мониторинга очень привлекательна. Однако достижение сильной чувствительности к концентрации целевых аналитов может быть затруднено, особенно когда образцы состоят из очень малых объемов жидкости.

Теперь группа исследователей из Университета Осаки использовала запатентованный источник терагерцового излучения в микрофлюидном чипе, содержащем структуру из метаматериала, для количественного определения количества следовых загрязнений в воде. «Используя эту систему «лаборатория на чипе», мы могли обнаруживать мельчайшие изменения в концентрации следовых количеств этанола, глюкозы или минералов в воде, измеряя сдвиг резонансных частот», — говорит первый автор Кадзунори Серита.

Рис.2 Графики сдвига резонансной частоты в зависимости от концентрации минералов в 85 пиколитрах воды. Наблюдая за величиной отклонения от резонансной частоты чистой воды, можно обнаружить растворенное вещество с чувствительностью 472 атмоля. Кредит: Казунори Серита

I-образная конструкция состоит из металлической полосы с микрометровым зазором, зажатой между другими металлическими полосами. Он периодически выстраивается в ряд из пяти единиц, образующих своего рода «метаатом», в котором пиковое оптическое пропускание варьируется в зависимости от присутствия следов загрязнения растворенными молекулами. Это устройство представляет собой применение технологии точечных терагерцовых источников, ранее разработанной в Университете Осаки. Крошечный источник терагерцового света был сгенерирован пятном облучения фемтосекундного лазерного луча, который индуцирует плотно ограниченную моду электрического поля в областях зазора. Затем он изменяет резонансную частоту, когда микроканал, созданный в пространстве между металлическими полосками, заполняется раствором образца.

«Нам удалось обнаружить всего 472 аттомоля растворенных веществ в растворах объемом менее 100 пиколитров, что на порядок лучше, чем существующие микрожидкостные чипы», — говорит старший автор Масаёси Тонучи. Эта работа может привести к значительным улучшениям портативных датчиков как с точки зрения чувствительности, так и с точки зрения требуемого количества жидкости.

Исследование опубликовано в Journal of Physics: Photonics.