Optiska sensorer kan kvantitativt analysera kemiska och biologiska prover genom att mäta och bearbeta de optiska signaler som produceras av proverna. Optiska sensorer baserade på infraröd absorptionsspektroskopi kan uppnå hög känslighet och selektivitet i realtid, och spelar därför en avgörande roll inom en mängd olika applikationsområden som miljöavkänning, medicinsk diagnostik, industriell processkontroll och hemvärnsskydd.

I en ny tidning publicerad i Ljus:Vetenskap och tillämpningar, ett team av forskare, ledd av Dr. Peter Q. Liu från institutionen för elektroteknik, State University of New York i Buffalo, har demonstrerat en ny typ av högpresterande optisk sensor som kan utnyttja vätskans ytspänning för att koncentrera och fånga analytmolekyler på de mest känsliga platserna i enhetens struktur, och därmed avsevärt förbättra känslighetsprestandan. Baserat på en metall-isolator-metall sandwich-struktur som också har diken i nanometerskala, sensorn kan passivt behålla och koncentrera en analytlösning i dessa små diken när lösningen gradvis avdunstar på sensorytan, och så småningom fånga de utfällda analytmolekylerna inuti dessa skyttegravar. Eftersom ljusintensiteten också förbättras starkt i dessa skyttegravar genom design, interaktionen mellan ljus och de fångade analytmolekylerna förbättras drastiskt, vilket leder till en lätt detekterbar optisk signal (dvs. förändringar i ljusabsorptionsspektrumet) även vid pikogramnivå av analytmassan.

I allmänhet, olika molekylarter absorberar infrarött ljus vid olika frekvenser, och därför kan man identifiera och kvantifiera de detekterade molekylerna genom att analysera de observerade absorptionslinjerna i spektrumet. Även om sådan molekylär absorption i sig är svag, optiska sensorer kan drastiskt förbättra den molekylära absorptionen genom att använda lämpliga nanostrukturer på enhetens yta för att begränsa ljus till mycket små volymer (så kallade hot-spots), vilket leder till mycket stor ljusintensitet. Genom att göra så, varje molekyl i hot-spots kan absorbera mycket mer ljus under ett givet tidsintervall än en molekyl utanför hot-spots, som gör det möjligt att mäta mycket små mängder kemiska eller biologiska ämnen med hög tillförlitlighet, om tillräckligt många molekyler finns i hot-spots. Detta allmänna tillvägagångssätt kallas också för ytförstärkt infraröd absorption (SEIRA).

Dock, en nyckelfråga för de flesta SEIRA optiska sensorer är att hotspots endast upptar en liten del av enhetens hela yta. Å andra sidan, analytmolekylerna är vanligtvis slumpmässigt fördelade på enhetens yta, och därför är endast en liten bråkdel av alla analytmolekyler belägna i hotspots och bidrar till den förbättrade ljusabsorptionen. "SEIRA-signalen skulle vara mycket större om de flesta analytmolekylerna kan levereras till hotspots hos en optisk sensor. Detta är nyckelmotiveringen för vår optiska sensordesign." sa Dr Liu.

"Det finns tekniker, såsom optisk pincett och dielektrofores, som kan manipulera små partiklar eller till och med molekyler och leverera dem till målplatser som hotspots. Dock, dessa tekniker kräver en betydande mängd energiinsats och är också komplicerade att använda." Dr. Liu tillade, "Vad vi tänkte utforska är en enhetsstruktur som kan fånga analytmolekyler som fälls ut ur en lösning i hotspots på ett passivt (som inte kräver någon energitillförsel) och effektivt sätt, och vi insåg att vi kan använda vätskans ytspänning för att uppnå detta mål."

Förutom demonstrationen av högkänslig biomolekylavkänning, laget genomförde också en annan uppsättning experiment, som visade att samma typ av enhetsstruktur också uppnådde effektiv fångst av liposompartiklar (~100 nm karakteristisk dimension) i de små dikena. Detta innebär att sådana optiska sensorer kan optimeras för att detektera och analysera nanoobjekt som virus eller exosomer, som har liknande storlekar som liposomerna som användes i experimenten.

Forskarna tror att den demonstrerade SEIRA optiska sensordesignstrategin kan tillämpas på andra typer av optiska sensorer också. Förutom att känna av applikationer, sådana enhetsstrukturer kan också användas för att manipulera objekt i nanoskala inklusive exosomer, virus och kvantprickar.