Rilevamento molecolare ultrasensibile tramite onde di frequenza complesse

I sensori sono strumenti essenziali per rilevare e analizzare le tracce di molecole in una varietà di campi, tra cui il monitoraggio ambientale, la sicurezza alimentare e la salute pubblica. Tuttavia, lo sviluppo di sensori con una sensibilità sufficientemente elevata da rilevare queste piccole quantità di molecole rimane una sfida.

Un approccio promettente è l’assorbimento infrarosso potenziato dalla superficie (SEIRA), che utilizza nanostrutture plasmoniche per amplificare i segnali infrarossi delle molecole assorbite sulla loro superficie. Il grafene è un materiale particolarmente promettente per SEIRA grazie alla sua elevata sensibilità e sintonizzabilità. Tuttavia, l’interazione tra grafene e molecole è indebolita a causa dello smorzamento molecolare interno.

Nella nuova ricerca pubblicata sulla rivista eLight, ricercatori di più istituzioni dimostrano un nuovo approccio per migliorare la sensibilità SEIRA. Questo approccio utilizza onde di frequenza complesse (CFW) per amplificare i segnali molecolari rilevati dai sensori basati su grafene di almeno un ordine di grandezza. Si applica anche al rilevamento molecolare in diverse fasi.

SEIRA è stato dimostrato per la prima volta utilizzando film sottili di Ag e Au. Tuttavia, i progressi nella nanofabbricazione e lo sviluppo di nuovi materiali plasmonici hanno portato a nanostrutture plasmoniche in grado di migliorare ulteriormente la segnalazione biomolecolare. Rispetto al SEIRA a base metallica, il forte confinamento di campo supportato dagli stati fermionici di Dirac elettronici bidimensionali (2D) consente a SEIRA a base di grafene di funzionare in modo eccellente nella caratterizzazione molecolare per il rilevamento di fasi gassose e solide. Il grafene può anche migliorare l’assorbimento molecolare dell’infrarosso in soluzione acquosa.

In particolare, la sintonizzazione attiva dei plasmoni di grafene estende la loro gamma di frequenze di rilevamento per diverse modalità vibrazionali molecolari modificando il livello di drogaggio tramite la tensione di gate. Questi vantaggi rendono SEIRA a base di grafene una piattaforma unica per il rilevamento di monostrati molecolari.

Tuttavia, lo smorzamento molecolare interno riduce significativamente l'interazione tra le modalità di vibrazione e i plasmoni. Di conseguenza, a concentrazioni molto basse, gli spettri dei segnali molecolari potenziati dai plasmoni diventano molto deboli e ampi e alla fine vengono soffocati dal rumore.

Un modo per compensare lo smorzamento molecolare è aggiungere materiali di guadagno ottico. Tuttavia, ciò richiede una configurazione complessa che potrebbe non essere compatibile con il sistema di rilevamento. Inoltre, i materiali di guadagno di solito portano ad una maggiore instabilità e rumore.

Un'altra possibilità è quella di utilizzare onde di frequenza complesse (CFW); Studi teorici hanno dimostrato che il cash-for-work con attenuazione temporale può recuperare la perdita di informazioni dovuta a perdite fisiche. Tuttavia, produrre CFW in sistemi ottici reali rimane un compito impegnativo.

I ricercatori propongono un nuovo metodo per raccogliere CFW combinando più onde di frequenza reali. Questo metodo è stato applicato con successo per migliorare la risoluzione spaziale delle superlenti (vedi Guan et al, Science, Science 381, 766-771, 2023).

I ricercatori hanno dimostrato che i CFW fabbricati potrebbero migliorare significativamente la firma delle vibrazioni molecolari nel SEIRA a base di grafene. Hanno applicato con successo i CFW sintetizzati per migliorare i segnali molecolari nello spettro di estinzione del medio infrarosso delle biomolecole in varie condizioni, inclusa la misurazione diretta di molteplici modalità vibrazionali delle molecole di deossinivalenolo (DON) e delle proteine ​​SEIRA a base di grafene sia nella fase solida che nella soluzione acquosa . .

Questo nuovo approccio al SEIRA utilizzando CFW composti è altamente scalabile a diverse tecniche SEIRA e può generalmente aumentare la sensibilità di rilevamento delle tecniche SEIRA convenzionali. Può essere utilizzato per sviluppare sensori ultrasensibili per un'ampia gamma di applicazioni, come la diagnosi precoce delle malattie, la medicina personalizzata e il rilevamento rapido di agenti tossici. Questo approccio ha il potenziale per rivoluzionare il campo del rilevamento molecolare, consentendo la scoperta di tracce di molecole attualmente non rilevabili.