Forskere reducerer drastisk teknologi til fingeraftryk af lægemidler og andre kemikalier

Efterhånden som nye infektionssygdomme opstår og spredes, et af de bedste skud mod nye patogener er at finde nye lægemidler eller vacciner. Men før medicin kan bruges som potentiel kur, de skal omhyggeligt screenes for komposition, sikkerhed og renhed, blandt andet. Dermed, der er en stigende efterspørgsel efter teknologier, der kan karakterisere kemiske forbindelser hurtigt og i realtid.

For at imødekomme dette udækkede behov, forskere ved Texas A&M University har nu opfundet en ny teknologi, der drastisk kan reducere det apparat, der bruges til Raman-spektroskopi, en velkendt teknik, der bruger lys til at identificere den molekylære sammensætning af forbindelser.

"Raman bordopstillinger kan være op til en meter lange afhængigt af niveauet for den spektroskopiske opløsning, der er nødvendig, " sagde Dr. Pao-Tai Lin, adjunkt ved Institut for Elektro- og Datateknik og Institut for Materialevidenskab og Teknik. "Vi har designet et system, der potentielt kan erstatte disse voluminøse bordplader med en lille fotonisk chip, der kan passe tæt ind i spidsen af ​​en finger."

Ud over, Lin sagde, at deres innovative fotoniske enhed også er i stand til høj kapacitet, kemisk karakterisering i realtid og på trods af dens størrelse, er mindst 10 gange mere følsom end konventionelle Raman-spektroskopisystemer.

En beskrivelse af deres undersøgelse er i maj-udgaven af ​​tidsskriftet Analytisk kemi .

Grundlaget for Raman-spektroskopi er spredning af lys af molekyler. Når den rammes af lys med en bestemt frekvens, molekyler udfører en dans, roterer og vibrerer ved absorbering af energien fra den indfaldende stråle. Når de mister deres overskydende energi, molekyler udsender et lys med lavere energi, hvilket er karakteristisk for deres form og størrelse. Dette spredte lys, kendt som Raman-spektrene, indeholder fingeraftryk af molekylerne i en prøve.

Typiske bordplader til Raman-spektroskopi indeholder et udvalg af optiske instrumenter, inklusive linser og gitre, til at manipulere lys. Disse "frirum" optiske komponenter tager meget plads og er en barriere for mange applikationer, hvor kemisk sensing er påkrævet i små rum eller steder, der er svære at nå. Også, bordplader kan være uoverkommelige for kemisk karakterisering i realtid.

Som et alternativ til traditionelle laboratoriebaserede bordpladesystemer, Lin og hans team vendte sig til rørlignende ledninger, kaldet bølgeledere, der kan transportere lys med meget lille tab af energi. Mens mange materialer kan bruges til at lave ultratynde bølgeledere, forskerne valgte et materiale kaldet aluminiumnitrid, da det producerer et lavt Raman-baggrundssignal og er mindre tilbøjeligt til at forstyrre Raman-signalet fra en testprøve af interesse.

For at skabe den optiske bølgeleder, forskerne anvendte en teknik, der blev brugt af industrien til at tegne kredsløbsmønstre på siliciumskiver. Først, ved hjælp af ultraviolet lys, de spinde et lysfølsomt materiale, kaldet NR9, på en overflade lavet af silica. Næste, ved at bruge ioniserede gasmolekyler, de bombarderede og belagte aluminiumnitrid langs mønsteret dannet af NR9. Endelig, de vaskede forsamlingen med acetone, efterlod en aluminiumsbølgeleder, der kun var tivis af mikrometer i diameter.

For at teste den optiske bølgeleder som en Raman-sensor, forskerholdet transporterede en laserstråle gennem aluminiumnitridbølgelederen og belyste en testprøve indeholdende en blanding af organiske molekyler. Efter at have undersøgt det spredte lys, forskerne fandt ud af, at de kunne skelne hver type molekyle inden for prøven baseret på Raman -spektrene og med en følsomhed på mindst 10 gange mere end traditionelle Raman -bordplader.

Lin bemærkede, at deres optiske bølgeledere har meget fin bredde, mange af dem kan indlæses på en enkelt fotonisk chip. Denne arkitektur, han sagde, er meget befordrende for høj gennemstrømning, kemisk sensing i realtid, der er nødvendig for udvikling af lægemidler.

"Vores optiske bølgelederdesign giver en ny platform til hurtigt at overvåge den kemiske sammensætning af forbindelser, pålideligt og kontinuerligt. Også, disse bølgeledere kan nemt fremstilles i industriel skala ved at udnytte de allerede eksisterende teknikker til fremstilling af halvlederenheder, " sagde Lin. "Denne teknologi, vi tror, har en direkte fordel for ikke kun medicinalindustrien, men endda for andre industrier, som petroleum, hvor vores sensorer kan sættes langs underjordiske rør for at overvåge sammensætningen af ​​kulbrinter."