Nøjagtig placering af molekyler i huller mellem guld nanoantenner muliggør ultrahøjfølsom molekylær detektion

Evnen til at detektere små mængder af molekyler er vigtig for kemisk sansning samt biologisk og medicinsk diagnostik. I særdeleshed, nogle af de mest udfordrende og avancerede anvendelser involverer sjældne forbindelser, for hvilke der kun er nogle få molekyler til stede ad gangen. De mest lovende enheder til at opnå ultrahøj præcision detektion er nanoskala sensorer, hvor molekyler er placeret i bittesmå mellemrum mellem små guldplader. Men denne metode er kun effektiv, hvis molekylerne er placeret nøjagtigt inden for hullerne. Nu, Jinghua Teng fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, og kolleger fra National University of Singapore har udviklet en sensor, hvor molekyler effektivt styres og placeres på plads.

De elektroniske resonanser, der forekommer i guld nanostrukturer, er som meget kraftige antenner, i stand til at forstærke stråling fra små molekyler i deres nærhed. Dette tillader endda påvisning af enkelte molekyler. For at signalet kan opfanges af antennerne, imidlertid, molekylerne skal være præcist placeret inden for elektromagnetiske 'hot spots' (se billede). "Vi nærmede os denne udfordring og udviklede en metode til selektivt at binde molekylerne til de elektromagnetiske hot spots i nanoantennestrukturen for maksimal effekt, " forklarer Teng.

Forskerne var nødt til at forberede enhedens overflade, således at molekylerne kun binder sig til de ønskede områder mellem guldpladerne - ikke på dem. Det opnåede de ved at afsætte en tynd titaniumfilm mellem guldpladerne. Titanium oxiderer i luft, danner stabil titaniumdioxid, som er isolerende og har meget forskellige egenskaber end guldpladerne. Forskerne dækkede derefter overfladen med forskellige organiske opløsninger, der selektivt forhindrer proteiner og andre molekyler i at binde sig til guldet, mens de tiltrækker molekylerne af interesse til titaniumpuden. I de indledende tests, signaler fra molekyler knyttet til titanium i hot spot viste en seks gange højere følsomhed end dem, der var tilfældigt knyttet på tværs af enheden.

Det næste skridt vil være at øge sensorens følsomhed til den ultimative grænse, forklarer Teng. "Folk har drømt om og arbejdet hen imod enkelt-molekyle sensing. Dette arbejde er en del af disse bestræbelser. Det giver en måde at selektivt binde biomolekyler til hot spots og beviser, at det kan øge den molekylære følsomhed og reducere mængden af ​​krævet prøve. ." Yderligere forbedringer i enhedsdesign vil dog være påkrævet, tilføjer Teng. "Bevæger sig fremad, vi vil gerne presse følsomheden yderligere ved at optimere strukturen og prøve multi-agent sensing i én chip."