Pesquisadores da Universidade Hebraica de Jerusalém criaram um sistema de chip nanofotônico usando lasers e bactérias para observar a fluorescência emitida por uma única célula bacteriana. Para fixar as bactérias no lugar e direcionar a luz em direção às células bacterianas individuais, eles usaram guias de ondas plasmônicas em forma de V, minúsculas hastes revestidas de alumínio com apenas dezenas de nanômetros de diâmetro. O novo sistema, descrito na revista Nano Letters, abre o caminho para um sistema no chip eficiente e portátil para diversas aplicações de detecção baseadas em células, como a detecção de produtos químicos em tempo real.

O campo de dispositivos fotônicos on-chip para aplicações de detecção biológica e química apresenta muitas alternativas poderosas às técnicas analíticas convencionais para aplicações que variam de "laboratório em um chip" a monitoramento ambiental. Contudo, esses esquemas de detecção baseiam-se principalmente na detecção fora do chip e requerem um aparelho complicado, mesmo quando medindo apenas células individuais.

A equipe da Universidade Hebraica procurou maneiras de integrar todos os componentes do sistema, incluindo fontes de luz e detectores, no chip em nanoescala. Isso resultaria em um sistema lab-on-chip pequeno, portátil e pode realizar detecção em tempo real.

Para alcançar isto, eles modificaram molecularmente bactérias vivas que emitem um sinal fluorescente na presença de compostos-alvo. Eles os emparelharam no chip com um guia de onda em nanoescala, que não só servia para orientar a luz, mas também permitiu a captura mecânica de bactérias individuais dentro da ranhura em V.

Em três diferentes condições de iluminação, eles demonstraram experimentalmente o interrogatório de uma célula bacteriana individual de Escherichia coli usando um guia de onda de ranhura em V plasmônico em nanoescala. Primeiro, eles mediram a luz emitida por uma bactéria fluindo no topo do nanocoupler em um ambiente líquido, permitindo que a fluorescência da bactéria fosse acoplada diretamente ao guia de ondas através do nanocoupler. Próximo, uma bactéria foi mecanicamente aprisionada dentro do guia de onda da ranhura em V e foi excitada por laser diretamente do topo ou através do nanocoupler. Em todos os casos, fluorescência significativa foi coletada do nanoacoplador de saída para o detector.

O sistema funcionou bem em ambientes úmidos, onde as bactérias estão fluindo no topo do guia de ondas, e em condições secas, onde as bactérias ficam presas dentro do guia de ondas.

A pesquisa foi liderada pelo Prof. Uriel Levy, Diretor do Centro da Família Harvey M. Krueger para Nanociência e Nanotecnologia da Universidade Hebraica em colaboração com o Prof. Shimshon Belkin, no Instituto Alexander Silberman de Ciências da Vida da Universidade Hebraica, que projetou geneticamente os sensores bacterianos, e o Prof. Anders Kristensen da Universidade Técnica Dinamarquesa, que estava encarregado de fabricar os guias de onda V-groove. O Prof. Levy é o Eric Samson Chair em Ciências Aplicadas e Tecnologia, e o Prof. Belkin é o Presidente do Ministério do Trabalho e Bem-Estar Social em Higiene Industrial, na Universidade Hebraica.

Ao contrário dos guias de onda plasmônica mais tradicionais consistindo em prata ou ouro, a escolha do alumínio foi fundamental por ser capaz de guiar a luz fluorescente emitida pelas bactérias até o nanocoupler de saída. Além disso, as dimensões do guia de ondas permitem a captura mecânica eficiente das bactérias e as características multimodo podem se tornar instrumentais na coleta de mais informações, por exemplo., na posição e orientação específicas das bactérias.

Os resultados fornecem uma indicação clara da viabilidade de construção de um sistema bioplasmônico híbrido usando células vivas. O trabalho futuro incluirá a construção de uma rede de guias de ondas, diversificar o sistema para incorporar diferentes tipos de sensores bacterianos para a detecção de vários analitos biológicos ou químicos.