Nanofotoniske eksperter skaber en stærk molekylær sensor

(Phys.org) —Nanophotonics -eksperter ved Rice University har skabt en unik sensor, der forstærker den optiske signatur af molekyler med cirka 100 milliarder gange. Nyligt offentliggjorte test fandt, at enheden nøjagtigt kunne identificere sammensætning og struktur af individuelle molekyler indeholdende færre end 20 atomer.

Den nye billeddannelsesmetode, som er beskrevet i denne uge i journalen Naturkommunikation , bruger en form for Raman -spektroskopi i kombination med en indviklet, men masse -reproducerbar optisk forstærker. Forskere ved Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) sagde, at enkeltmolekylsensoren er omkring 10 gange mere kraftfuld end tidligere rapporterede enheder.

"Vores og andre forskningsgrupper har designet flere enkeltmolekylære sensorer i flere år, men denne nye tilgang giver fordele i forhold til enhver tidligere rapporteret metode, "sagde LANP -direktør Naomi Halas, hovedforsker ved undersøgelsen. "Den ideelle enkeltmolekylsensor ville være i stand til at identificere et ukendt molekyle-selv et meget lille-uden forudgående information om molekylets struktur eller sammensætning. Det er ikke muligt med den nuværende teknologi, men denne nye teknik har det potentiale. "

Den optiske sensor bruger Raman -spektroskopi, en teknik, der var banebrydende i 1930'erne, der blomstrede efter fremkomsten af ​​lasere i 1960'erne. Når lys rammer et molekyle, de fleste af dets fotoner hopper af eller passerer direkte igennem, men en lille brøkdel-færre end en i en billion-absorberes og genudsendes til et andet energiniveau, der adskiller sig fra deres oprindelige niveau. Ved at måle og analysere disse genudsendte fotoner gennem Raman-spektroskopi, forskere kan tyde typerne af atomer i et molekyle såvel som deres strukturelle arrangement.

Forskere har skabt en række teknikker til at øge Raman -signaler. I den nye undersøgelse, LANP -kandidatstuderende Yu Zhang brugte en af ​​disse, en to-kohærent-laserteknik kaldet "kohærent anti-Stokes Raman-spektroskopi, "eller CARS. Ved at bruge CARS sammen med en lysforstærker lavet af fire små guld nanodiscs, Halas og Zhang var i stand til at måle enkeltmolekyler på en ny kraftfuld måde. LANP har kaldt den nye teknik "overfladeforbedrede CARS, "eller SECARS.

"Den to-koherente laseropsætning i SECARS er vigtig, fordi den anden laser giver yderligere forstærkning, "Sagde Zhang." I en konventionel single-laser opsætning, fotoner gennemgår to trin af absorption og re-emission, og de optiske signaturer forstærkes normalt omkring 100 millioner til 10 milliarder gange. Ved at tilføje en anden laser, der er kohærent med den første, SECARS -teknikken anvender en mere kompleks multiphotonproces. "

Zhang sagde, at den ekstra forstærkning giver SECARS potentiale til at adressere de fleste ukendte prøver. Det er en ekstra fordel i forhold til nuværende teknikker til enkeltmolekyle-registrering, som generelt kræver en forudgående viden om et molekyls resonansfrekvens, før det kan måles nøjagtigt.

En anden vigtig komponent i SECARS -processen er enhedens optiske forstærker, som indeholder fire små guldskiver i et præcist diamantformet arrangement. Gabet i midten af ​​de fire diske er cirka 15 nanometer bredt. På grund af en optisk effekt kaldet en "Fano -resonans, "De optiske signaturer for molekyler fanget i dette hul forstærkes dramatisk på grund af de effektive lyshøst- og signalspredningsegenskaber ved strukturen med fire skiver.

Fano -resonans kræver et specielt geometrisk arrangement af skiverne, og en af ​​LANPs specialer er designet, produktion og analyse af Fano-resonant plasmoniske strukturer som "quadrumer" med fire skiver. I tidligere LANP -undersøgelser, andre geometriske diskstrukturer blev brugt til at skabe kraftfulde optiske processorer.

Zhang sagde, at quadrumerforstærkerne er en nøgle til SECARS, dels fordi de er skabt med standard e-beam litografiske teknikker, hvilket betyder, at de let kan masseproduceres.

"Et hul på 15 nanometer lyder måske lille, men hullet i de fleste konkurrerende enheder er i størrelsesordenen 1 nanometer, "Zhang sagde." Vores design er meget mere robust, fordi selv den mindste defekt i en en-nanometer-enhed kan have betydelige virkninger. I øvrigt, den større kløft resulterer også i et større målområde, det område, hvor målinger finder sted. Målområdet i vores enhed er hundredvis af gange større end målområdet i en en-nanometer enhed, og vi kan måle molekyler hvor som helst i det pågældende målområde, ikke kun i det nøjagtige center. "

Halas, Stanley C. Moore -professoren i elektro- og computerteknik og professor i biomedicinsk teknik, kemi, fysik og astronomi ved Rice, sagde, at de potentielle applikationer til SECARS omfatter kemisk og biologisk sansning samt metamaterialeforskning. Hun sagde, at videnskabelige laboratorier sandsynligvis er de første modtagere af teknologien.

"Amplifikation er vigtig for at fornemme små molekyler, fordi jo mindre molekylet, jo svagere den optiske signatur, "Sagde Halas." Denne forstærkningsmetode er den mest kraftfulde, der endnu er demonstreret, og det kan vise sig nyttigt i forsøg, hvor eksisterende teknikker ikke kan levere pålidelige data. "