Naukowcy zaprezentowali bardzo czuły detektor zdolny do identyfikowania cząsteczek na podstawie analizy ich wibracyjnych „odcisków palców” w podczerwieni.
To przełomowe urządzenie działa poprzez przekształcanie przychodzącego światła podczerwonego w ultraograniczone „nanoświatło” poprzez polarytony fononowe w obszarze aktywnym. Ten dwufunkcyjny mechanizm znacznie zwiększa czułość detektora, wzmacniając jednocześnie sygnały wibracyjne warstw molekularnych o grubości nanometrów umieszczonych na jego powierzchni. Te wzmocnione molekularne odciski palców można następnie wykryć i przeanalizować z większą precyzją. Kompaktowa konstrukcja detektora i możliwość pracy w temperaturze pokojowej otwierają drzwi do opracowania ultrakompaktowych platform do wykrywania cząsteczek i gazów w różnych zastosowaniach.
Identyfikacja molekularna poprzez wibracje
Cząsteczki posiadają unikalne „odciski palców”, dzięki którym można je od siebie odróżnić. Pod wpływem określonego rodzaju światła każda cząsteczka wibruje z charakterystyczną częstotliwością – zwaną częstotliwością rezonansową – zazwyczaj w zakresie widma podczerwonego i z określoną intensywnością.
Tak jak ludzkie odciski palców służą do identyfikacji poszczególnych osób, tak molekularne odciski palców można wykorzystać do rozróżnienia różnych typów cząsteczek lub gazów. Zdolność ta ma kluczowe znaczenie nie tylko dla analiz naukowych, ale ma także zastosowania praktyczne, takie jak identyfikacja substancji szkodliwych lub toksycznych.
Postępy w spektroskopii w podczerwieni
Jednym z konwencjonalnych podejść jest spektroskopia odcisków palców w podczerwieni, która wykorzystuje widma odbicia w podczerwieni lub widma transmisyjne do identyfikacji różnych cząsteczek. Jednakże mały rozmiar cząsteczek organicznych w porównaniu z długością fali podczerwieni skutkuje słabym sygnałem rozpraszającym, co utrudnia wykrycie małych ilości materiału.
W ostatnich latach ograniczenie to rozwiązano za pomocą spektroskopii ze wzmocnioną absorpcją w podczerwieni (SEIRA).
Spektroskopia SEIRA wykorzystuje wzmocnienie bliskiego pola w podczerwieni zapewniane przez szorstkie powierzchnie metalowe lub metaliczną nanostrukturę w celu wzmocnienia molekularnych sygnałów wibracyjnych. Główną zaletą spektroskopii SEIRA jest jej zdolność do pomiaru i badania niewielkich ilości materiału.
Poprawa wykrywania za pomocą polarytonów fononowych
Ostatnio polarytony fononów — sprzężone wzbudzenia fal elektromagnetycznych z wibracjami sieci atomowej — zwłaszcza hiperboliczne polarytony fononów w cienkich warstwach heksagonalnego azotku boru (h-BN) okazały się obiecującymi kandydatami do zwiększenia czułości spektroskopii SEIRA.
„Wcześniej wykazaliśmy, że polarytony fononowe można zastosować w spektroskopii SEIRA cienkich nanometrowo warstw molekularnych i wykrywaniu gazu dzięki ich długiej żywotności i bardzo dużemu zamknięciu pola” – mówi prof. Rainer Hillenbrand z CIC nanoGUNE.
W kierunku wykrywania molekularnego na chipie
Jednakże spektroskopia SEIRA pozostaje techniką dalekiego pola, która wymaga nieporęcznego sprzętu, takiego jak źródła światła, substraty SEIRA i zazwyczaj detektory podczerwieni chłodzone azotem. To poleganie na dużych instrumentach ogranicza jego potencjał w zakresie miniaturyzacji i zastosowań na chipach.
Równolegle „badaliśmy detektory podczerwieni na bazie grafenu, które działają w temperaturze pokojowej i pokazaliśmy, że polarytony fononowe można wykrywać elektrycznie i mogą zwiększać czułość detektora” – dodaje prof. Frank Koppens z ICFO.
Miniaturyzacja i przyszłe zastosowania
Łącząc te dwa postępy, zespół naukowców z powodzeniem zademonstrował pierwszą w chipie metodę fononicznej detekcji wibracji molekularnych SEIRA. Wynik ten był możliwy dzięki wspólnym wysiłkom eksperymentalnym badaczy z Nanogune i ICFO, a także teoretycznemu wsparciu ze strony grup dr Alexeya Nikitina z Międzynarodowego Centrum Fizyki Donostia i prof. Luisa Martína-Moreno z Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (CSIC – Universidad de Saragossa).
Naukowcy wykorzystali ultrazamknięte HPhP do wykrywania odcisków palców molekularnych w warstwach molekularnych o grubości nanometrów bezpośrednio w fotoprądzie detektora na bazie grafenu, eliminując potrzebę stosowania tradycyjnych, nieporęcznych detektorów podczerwieni.
Integracja i przyszłe możliwości
„Jednym z najbardziej ekscytujących aspektów tego podejścia jest to, że ten detektor na bazie grafenu otwiera drogę do miniaturyzacji” – komentuje badacz ICFO, dr Sebastián Castilla. Kontynuuje: „Integrując ten detektor z kanałami mikroprzepływowymi, moglibyśmy stworzyć prawdziwe laboratorium na chipie, zdolne do identyfikacji określonych cząsteczek w małych próbkach cieczy, torując drogę diagnostyce medycznej i monitorowaniu środowiska”.
Perspektywy przenośnych technologii detekcji
Patrząc z dłuższej perspektywy, badacz nanoGUNE i pierwszy autor badania, dr Andrei Bylinkin, uważa, że „wbudowane w chip detektory podczerwieni działające w temperaturze pokojowej mogłyby umożliwić szybką identyfikację molekularną, potencjalnie zintegrowaną ze smartfonami lub urządzeniami elektronicznymi do noszenia”. Uważa ponadto, że „byłoby to platformą dla kompaktowej, czułej spektroskopii w podczerwieni w temperaturze pokojowej”.
Odniesienie: „Wbudowane w chip fononowe wykrywanie wibracji molekularnych w bliskim polu w podczerwieni” autorstwa Andrei Bylinkina, Sebastiána Castilli, Tetiany M. Slipchenko, Kateryny Domina, Francesco Calavalle, Varun-Varma Pusapati, Marta Autore, Fèlix Casanova, Luis E. Hueso, Luis Martín-Moreno, Alexey Y. Nikitin, Frank HL Koppens i Rainer Hillenbrand, 16 października 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53182-9
