En nanoteknologisk sensor, der forvandler molekylære fingeraftryk til stregkoder

Infrarød spektroskopi er benchmarkmetoden til påvisning og analyse af organiske forbindelser. Men det kræver komplicerede procedurer og store, dyre instrumenter, gør miniaturisering af enheder udfordrende og hindrer dens brug til nogle industrielle og medicinske applikationer og til dataindsamling ude i marken, til måling af forureningskoncentrationer. Desuden, det er grundlæggende begrænset af lav følsomhed og kræver derfor store prøvemængder.

Imidlertid, forskere ved EPFL's School of Engineering og ved Australian National University (ANU) har udviklet et kompakt og følsomt nanofotonisk system, der kan identificere et molekyles absorptionsegenskaber uden at bruge konventionel spektrometri.

Deres system består af en konstrueret overflade dækket med hundredvis af bittesmå sensorer kaldet metapixel, som kan generere en særskilt stregkode for hvert molekyle, som overfladen kommer i kontakt med. Disse stregkoder kan analyseres og klassificeres massivt ved hjælp af avanceret mønstergenkendelse og sorteringsteknologi såsom kunstige neurale netværk. Denne forskning - som sidder ved fysikkens krydsfelt, nanoteknologi og big data — er blevet udgivet i Videnskab .

Oversættelse af molekyler til stregkoder

De kemiske bindinger i organiske molekyler har hver en specifik orientering og vibrationstilstand. Det betyder, at hvert molekyle har et sæt karakteristiske energiniveauer, som almindeligvis er placeret i det mellem-infrarøde område - svarende til bølgelængder på omkring 4 til 10 mikron. Derfor, hver type molekyle absorberer lys ved forskellige frekvenser, giver hver enkelt en unik "signatur". Infrarød spektroskopi detekterer, om et givet molekyle er til stede i en prøve ved at se, om prøven absorberer lysstråler ved molekylets signaturfrekvenser. Imidlertid, sådanne analyser kræver laboratorieinstrumenter med en stor størrelse og prisskilt.

Det banebrydende system udviklet af EPFL-forskerne er både meget følsomt og i stand til at blive miniaturiseret; den bruger nanostrukturer, der kan fange lys på nanoskalaen og derved give meget høje detektionsniveauer for prøver på overfladen. "De molekyler, vi ønsker at detektere, er nanometriske i skala, så det er et vigtigt skridt at bygge bro over denne størrelsesforskel, " siger Hatice Altug, leder af EPFL's BioNanoPhotonic Systems Laboratory og medforfatter af undersøgelsen.

Systemets nanostrukturer er grupperet i det, der kaldes metapixel, så hver enkelt resonerer med en forskellig frekvens. Når et molekyle kommer i kontakt med overfladen, den måde, molekylet absorberer lys på, ændrer adfærden af ​​alle de metapixels, det rører ved.

"Vigtigt, metapixelerne er arrangeret på en sådan måde, at forskellige vibrationsfrekvenser er kortlagt til forskellige områder på overfladen, siger Andreas Tittl, hovedforfatter af undersøgelsen.

Dette skaber et pixeleret kort over lysabsorption, der kan oversættes til en molekylær stregkode - alt sammen uden brug af et spektrometer.

Forskerne har allerede brugt deres system til at detektere polymerer, pesticider og organiske forbindelser. Hvad mere er, deres system er kompatibelt med CMOS-teknologi.

"Takket være vores sensorers unikke optiske egenskaber, vi kan generere stregkoder selv med bredbåndslyskilder og detektorer, " siger Aleksandrs Leitis, medforfatter til undersøgelsen.

Der er en række potentielle anvendelser for dette nye system. "For eksempel, det kunne bruges til at lave bærbare medicinske testenheder, der genererer stregkoder for hver af de biomarkører, der findes i en blodprøve, " siger Dragomir Neshev, en anden medforfatter til undersøgelsen.

Kunstig intelligens kan bruges i forbindelse med denne nye teknologi til at skabe og behandle et helt bibliotek af molekylære stregkoder for forbindelser lige fra protein og DNA til pesticider og polymerer. Det ville give forskerne et nyt værktøj til hurtigt og præcist at spotte minimale mængder af forbindelser til stede i komplekse prøver.