Ultrafølsom molekylær sansning med syntetisere komplekse frekvensbølger

Sensorer er essentielle værktøjer til at detektere og analysere spormolekyler på en række forskellige områder, herunder miljøovervågning, fødevaresikkerhed og folkesundhed. Det er dog stadig en udfordring at udvikle sensorer med høj nok følsomhed til at detektere disse små mængder molekyler.

En lovende tilgang er overfladeforstærket infrarød absorption (SEIRA), som bruger plasmoniske nanostrukturer til at forstærke de infrarøde signaler fra molekyler adsorberet på deres overflade. Grafen er et særligt lovende materiale for SEIRA på grund af dets høje følsomhed og tunbarhed. Imidlertid er interaktionen mellem grafen og molekyler svækket af iboende molekylær dæmpning.

I et nyt papir udgivet i eLight , viste forskere fra flere institutioner en ny tilgang til at forbedre følsomheden af ​​SEIRA. Denne tilgang anvender syntetiserede kompleks-frekvensbølger (CFW) til at forstærke de molekylære signaler, der detekteres af grafen-baserede sensorer, med mindst en størrelsesorden. Det gælder også for molekylær sansning i forskellige faser.

SEIRA blev først demonstreret ved hjælp af Ag og Au tynde film. Alligevel har fremskridt inden for nanofabrikation og udvikling af nye plasmoniske materialer ført til plasmoniske nanostrukturer, der er i stand til meget større forbedring af biomolekylesignaler. Sammenlignet med metalbaseret SEIRA muliggør stærk feltindeslutning understøttet af todimensionelle (2D) Dirac fermion elektroniske tilstande grafenbaseret SEIRA med fremragende ydeevne inden for molekylær karakterisering til gas- og fastfase-sensing. Grafen kan også forbedre molekylær IR-absorption i vandig opløsning.

Navnlig udvider den aktive afstemning af grafenplasmoner deres detektionsfrekvensområde for forskellige molekylære vibrationstilstande ved at ændre dopingniveauet via gatespænding. Disse fordele gør grafenbaseret SEIRA til en unik platform for molekylær monolagsdetektion.

Imidlertid reducerer indre molekylær dæmpning markant interaktionen mellem vibrationstilstandene og plasmoner. Som følge heraf bliver spektrene af plasmonforstærkede molekylære signaler ved meget lave koncentrationer meget svage og brede, i sidste ende overskygget af støj.

En måde at kompensere for molekylær dæmpning på er at tilføje optiske forstærkningsmaterialer. Dette kræver dog en kompleks opsætning, som muligvis ikke er kompatibel med detektionssystemet. Derudover øger gain-materialer normalt ustabilitet og støj.

En anden mulighed er at bruge komplekse frekvensbølger (CFW); teoretiske undersøgelser har bevist, at CFW med tidsmæssig dæmpning kan genoprette informationstab på grund af materielle tab. Det er dog stadig en udfordrende opgave at producere CFW i rigtige optiske systemer.

Forskerne foreslår en ny metode til at syntetisere CFW ved at kombinere flere reelle frekvensbølger. Denne metode er blevet anvendt med succes til at forbedre den rumlige opløsning af superlinser.

Forskerne demonstrerer, at syntetiserede CFW'er dramatisk kan forbedre de molekylære vibrationsfingeraftryk i grafenbaseret SEIRA. De anvender med succes syntetiserede CFW'er til at forbedre de molekylære signaler i mid-IR ekstinktionsspektret for biomolekyler under forskellige forhold, herunder direkte måling af flere vibrationstilstande af deoxynivalenol (DON) molekyler og grafenbaseret SEIRA af proteiner i både fast fase og vandig opløsning .

Denne nye tilgang til SEIRA ved hjælp af syntetiserede CFW'er er meget skalerbar til forskellige SEIRA-teknologier og kan generelt øge detektionsfølsomheden af ​​traditionelle SEIRA-teknologier. Det kan bruges til at udvikle ultrafølsomme sensorer til en bred vifte af applikationer, såsom tidlig sygdomsdiagnose, personlig medicin og hurtig påvisning af giftige stoffer. Denne tilgang har potentialet til at revolutionere området for molekylær sansning, hvilket muliggør påvisning af spormolekyler, der i øjeblikket ikke kan påvises.

Flere oplysninger: Kebo Zeng et al, Syntetiseret kompleks-frekvens excitation til ultrasensitiv molekylær sansning, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00058-y

Journaloplysninger: eLight

Leveret af Chinese Academy of Sciences