Василь Кравец (Vasyl Kravets) и его коллеги по Физико-астрономической школе Манчестерского университета (Великобритания) продемонстрировали возможность обнаружения при помощи нанооптики масс настолько крохотных, что они равны весу одиночной органической молекулы.

Для этого был создан материал, резонирующий в ответ на световое излучение строго определённой частоты. Добавление даже небольшого количества вещества к поверхности такого материала принципиально меняет его отражающую способность. Чувствительность полученного экспериментального прибора оказалась немыслимой: регистрируется до 10^{–15 г}, падающих на квадратный миллиметр.

Да-да, до фемтограмма!

Рис. 1. Стрептовидин, использовавшийся на финальной стадии эксперимента (иллюстрация UW).

Переводя ситуацию с языка цифр на конкретные примеры, можно сказать, что речь идёт об одиночной человеческой клетке (к примеру, кожи), падающей на кофейный столик.

Как удалось добиться такого результата? Когда интенсивность света велика, изменение отражаемости зафиксировать непросто: мешает невыгодное соотношение сигнал — шум. Следовательно, нужно получить материал, работающий со светом сверхнизкой интенсивности, желательно до отдельных фотонов. Разумеется, это должен быть метаматериал. В данном случае исследователи поместили на поверхности стекла решётку из золотых наноточек. А поверх неё шёл гидрированный графен, слой углеродных атомов-шестигранников, к которым прикреплено несколько атомов водорода.

Такая схема реагировала только на прибытие фотона строго определённой волны и под строго определённым углом (69˚). При этом отражённый свет получал лёгкое изменение длины волны («цвет фотонов» чуть менялся) в зависимости от количеств атомов водорода.

При всей своей сверхчувствительности такой детектор годился лишь для обнаружения водорода, а исследователям нужно было получить анализатор для фармакологии и сходных приложений. Поэтому в дальнейших опытах они заменили графен на карбоксилат, смешанный с витамином B7, который имеет родство со стрептовидином — протеином, характерным для многих видов бактерий.

Финальная схема позволяет обнаружить от одной до четырёх молекул стрептовидина на каждой золотой наноточке.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Materials.