Brug af lyskraft til at studere enkelte molekyler

Forskere ved EPFL viser, hvordan en lysinduceret kraft kan forstærke følsomheden og opløsningen af ​​en teknik, der bruges til at studere enkelte molekyler.

Når det kommer til at studere enkelte molekyler, forskere bruger en kraftfuld teknik kaldet "surface-enhanced Raman scattering" (SERS). Et ekstremt følsomt værktøj, SERS registrerer vibrationerne i atomerne i det oplyste molekyle som en ændring i lysfarve. Men følsomheden af ​​SERS er begrænset ved stuetemperatur, fordi molekyler vibrerer for svagt. Udgiver i Natur nanoteknologi , EPFL-forskere viser nu, at denne hindring kan overvindes med værktøjerne fra hulrumsoptomekanik - samspillet mellem lette og mekaniske objekter. Arbejdet har betydelige praktiske anvendelser, da det kan skubbe SERS's muligheder endnu længere.

Raman-spektroskopi og svage vibrationer

SERS er baseret på principperne for Raman-spektroskopi, en gammel teknik, der bruges til at sondere molekyler:Når laserlys skinner på dem, det interagerer med deres vibrationer (f.eks. strækningen af ​​en binding mellem to atomer). Som resultat, lysets bølgelængde skifter, skifter farve. Dette skift bliver det unikke fingeraftryk af den type molekyle, der undersøges.

Imidlertid, Raman-spektroskopi er begrænset, når det kommer til enkelte molekyler, fordi de interagerer meget svagt med lys. Dette sker hovedsageligt af to årsager:For det første, et enkelt molekyle er omkring tusind gange mindre end bølgelængden af ​​indkommende lys. Udviklet for omkring fyrre år siden, SERS overvandt dette problem ved at udnytte en lille sky af oscillerende elektroner i metalliske nanopartikler, der blev exciteret med laserlys. Skyen er kendt som en "plasmon", og den kan lokaliseres til huller på nanometerstørrelse, hvor molekyler kan placeres.

Med andre ord, de metalliske nanopartikler fungerer som nano-antenner, der fokuserer lys ned til molekylære dimensioner; denne tilgang øgede følsomheden af ​​SERS med mere end 10 størrelsesordener. Imidlertid, den anden begrænsning af Raman har bestået uden løsning:molekyler vibrerer meget svagt ved stuetemperatur - eller, i tekniske termer, "de relevante vibrationstilstande er frosset".

Forstærker molekylære vibrationer med lys

To medlemmer af Tobias J. Kippenbergs laboratorium på EPFL har nu fundet en teoretisk løsning på dette problem, viser, at SERS faktisk kan skubbes endnu længere i følsomhed og opløsning. Nøglen til at overvinde de svage vibrationer er skyen af ​​oscillerende elektroner, plasmonen, som kan udøve en kraft på vibrationerne i det testede molekyle.

Forskerne Philippe Roelli og Christophe Galland, var i stand til at bestemme de nøjagtige betingelser, der var nødvendige for, at denne lys-inducerede kraft kunne drive molekylets vibrationer til store amplituder. Da det videnskabelige samfund har fastsat specifikke retningslinjer for dette område, forskerne valgte laserbølgelængder og egenskaber af de plasmoniske strukturer mod disse.

Få mere signal ud af et molekyle

Når lyskraften forstærker molekylets vibrationer, samspillet mellem molekylet og det indelukkede laserlys bliver også stærkere. Dette kan dramatisk øge signalet, som SERS opfanger, langt ud over, hvad der kan nås ved tidligere kendte mekanismer.

"Vores arbejde tilbyder specifikke retningslinjer for design af mere effektive metalliske nanostrukturer og excitationsskemaer til SERS, " siger Philippe Roelli. "Det kan skubbe grænserne for teknikken i følsomhed og opløsning." Ved at gøre det, undersøgelsen åbner nye forskningsretninger inden for kontrol af molekylære vibrationer med lys, med potentielle anvendelser lige fra biologi og kemi til kvanteteknologier.