Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Fiberoptisk sonde kan se molekylære bindinger

Denne visualisering viser fiber-i-fiber-ud-processen til optisk spektroskopimåling. Kredit:Liu Group/UCR

I "Avengers:Endgame, "Tony Stark advarede Scott Lang om, at det at sende ham ind i kvanteriget og bringe ham tilbage ville være et "milliard-til-en kosmisk lykketræf."

I virkeligheden, Det er ikke nemmere at skrumpe en lysstråle til et punkt på nanometerstørrelse for at udspionere lys-stof-interaktioner i kvanteskala og hente informationen. Nu, ingeniører ved University of California, Riverside, har udviklet en ny teknologi til at tunnelere lys ind i kvanteverdenen med en hidtil uset effektivitet.

I en Naturfotonik papir, et hold ledet af Ruoxue Yan, en adjunkt i kemi- og miljøteknik, og Ming Liu, en assisterende professor i elektro- og computerteknik, beskriv verdens første bærbare, billig, optisk nanoskopiværktøj, der integrerer en optisk glasfiber med en sølv nanotrådskondensator. Enheden er en højeffektiv rundturs-lystunnel, der klemmer synligt lys til selve spidsen af ​​kondensatoren for at interagere med molekyler lokalt og sende information tilbage, der kan dechifrere og visualisere den undvigende nanoverden.

Vores evne til at zoome ind på de fine detaljer af et objekt er begrænset af lysets bølgenatur. Hvis du nogensinde har brugt et optisk mikroskop i en videnskabsklasse, du har sikkert lært, at man kun kan forstørre et objekt med omkring 2, 000 gange før alt bliver sløret. Det skyldes, at det er umuligt at skelne træk, der er finere end halvdelen af ​​lysets bølgelængde – et par hundrede nanometer for synligt lys i fjerntliggende felt – uanset hvor avanceret dit mikroskop er.

I modsætning til fjerntliggende bølger, nærfeltsbølger eksisterer kun meget tæt på en lyskilde og er ikke underlagt denne regel. Men de rejser ikke frivilligt og er meget svære at udnytte eller observere. Siden 1920'erne, Forskere har troet, at at tvinge lys gennem et lille nålehul på en metalfilm ville generere nærfeltsbølger, der kunne omdannes til detekterbart lys, men de første succesrige prototyper blev først bygget et halvt århundrede senere.

I begyndelsen af ​​1990'erne, Erik Betzig, nobelpristageren i kemi i 2014, foretaget væsentlige forbedringer af tidligere prototyper med hensyn til billedydelse og pålidelighed. Siden da, nærfelt scanning optisk mikroskopi, som teknikken er kendt, er blevet brugt til at afsløre detaljerne i nanoskala af mange kemikalier, biologiske, og materialesystemer.

Desværre, næsten et halvt århundrede senere, denne teknik er stadig esoterisk og bruges af få.

"At sende lys gennem et lille bitte hul, der er tusinde gange mindre end diameteren af ​​et hårstrå, er ikke noget stykke kage, " sagde Liu. "Kun nogle få ud af en million fotoner, eller lette partikler, kan passere nålehullet og nå det objekt, du vil se. At få en enkeltbillet er allerede udfordrende; en returbillet for at bringe et meningsfuldt signal tilbage er næsten en dagdrøm."

Forskere har gjort uendelige anstrengelser for at forbedre denne chance. Mens de mest sofistikerede sonder i dag kun tillader én ud af 1, 000 fotoner for at nå objektet, UC Riverside-enheden leverer halvdelen af ​​fotonerne til spidsen.

"Nøglen til designet er en to-trins sekventiel fokuseringsproces, " sagde Yan. "I det første trin, bølgelængden af ​​fjernfeltslyset øges langsomt, når det bevæger sig ned ad en gradvist tyndere optisk fiber, uden at ændre dens frekvens. Når det matcher bølgelængden af ​​elektrontæthedsbølgen i sølv nanotråden, der ligger oven på den optiske fiber, bom! Al energi overføres til elektrontæthedsbølgen og begynder i stedet at rejse på overfladen af ​​nanotråden."

I det andet trin af fokuseringsprocessen, bølgen fortættes gradvist til nogle få nanometer ved spidsens spids.

UC Riverside-enheden, en lille sølvnål med lys, der kommer fra spidsen, "ligner en slags Harry Potters tryllestav, der lyser et lille område op, " forklarede Sanggon Kim, den ph.d.-studerende, der har udført undersøgelsen.

Kim brugte enheden til at kortlægge frekvensen af ​​molekylære vibrationer, der gør det muligt at analysere kemiske bindinger, der holder atomer sammen i et molekyle. Dette er kendt som tip-forstærket Raman-spektroskopi, eller TERS, billeddannelse. TERS er den mest udfordrende gren af ​​nærfelts optisk mikroskopi, fordi den omhandler meget svage signaler. Det kræver normalt omfangsrigt, million-dollar udstyr til at koncentrere let og kedeligt forberedelsesarbejde for at få superopløselige billeder.

Med den nye enhed, Kim opnåede 1-nanometer opløsning på et simpelt bærbart udstyr. Opfindelsen kunne være et kraftfuldt analytisk værktøj, der lover at afsløre en ny verden af ​​information til forskere inden for alle discipliner inden for nanovidenskab.

"Integrationen af ​​en fiber-nanowire-samling med spidsforstærket Raman-spektroskopi kombineret med et scanningstunnelmikroskop muliggør indsamling af højopløselige kemiske billeder i en enkel og elegant opsætning, placere dette værktøj på forkant med optisk billeddannelse og spektroskopi. Vi er stolte af denne præstation og dens indvirkning på kemisk forskning. Vi er endnu mere opmuntrede af dets potentielle anvendelse i en bred vifte af discipliner såsom biologisk forskning og materialeforskning, som vil fremme videnskabelige fremskridt, " sagde Lin He, fungerende viceafdelingsdirektør for National Science Foundation Division of Chemistry, der til dels finansierede forskningen.

Varme artikler