Infraröd spektroskopi är riktmärket för att detektera och analysera organiska föreningar. Men det kräver komplicerade procedurer och stora, dyra instrument, gör miniatyrisering av enheter utmanande och hindrar dess användning för vissa industriella och medicinska tillämpningar och för datainsamling ute på fältet, till exempel för att mäta föroreningskoncentrationer. Vidare, den är i grunden begränsad av låg känslighet och kräver därför stora provmängder.

Dock, forskare vid EPFLs School of Engineering och vid Australian National University (ANU) har utvecklat ett kompakt och känsligt nanofotoniskt system som kan identifiera en molekyls absorptionsegenskaper utan att använda konventionell spektrometri.

Deras system består av en konstruerad yta täckt med hundratals små sensorer som kallas metapixlar, som kan generera en distinkt streckkod för varje molekyl som ytan kommer i kontakt med. Dessa streckkoder kan massivt analyseras och klassificeras med hjälp av avancerad mönsterigenkänning och sorteringsteknik såsom artificiella neurala nätverk. Den här forskningen - som befinner sig vid fysikens vägskäl, nanoteknik och big data—har publicerats i Vetenskap .

Översätta molekyler till streckkoder

De kemiska bindningarna i organiska molekyler har var och en en specifik orientering och vibrationsläge. Det betyder att varje molekyl har en uppsättning karakteristiska energinivåer, som vanligtvis är belägna i det mellan-infraröda området – motsvarande våglängder på cirka 4 till 10 mikron. Därför, varje typ av molekyl absorberar ljus vid olika frekvenser, ger var och en en unik "signatur". Infraröd spektroskopi detekterar om en given molekyl finns i ett prov genom att se om provet absorberar ljusstrålar vid molekylens signaturfrekvenser. Dock, sådana analyser kräver labbinstrument med rejäl storlek och prislapp.

Det banbrytande systemet som utvecklats av EPFL-forskarna är både mycket känsligt och kan miniatyriseras; den använder nanostrukturer som kan fånga ljus på nanoskala och därigenom ge mycket höga detektionsnivåer för prover på ytan. "Molekylerna vi vill upptäcka är nanometriska i skala, så att överbrygga detta storleksgap är ett viktigt steg, " säger Hatice Altug, chef för EPFL:s BioNanoPhotonic Systems Laboratory och medförfattare till studien.

Systemets nanostrukturer är grupperade i vad som kallas metapixlar så att var och en ger resonans vid olika frekvenser. När en molekyl kommer i kontakt med ytan, hur molekylen absorberar ljus förändrar beteendet hos alla metapixlar den vidrör.

"Viktigt, metapixlarna är arrangerade på ett sådant sätt att olika vibrationsfrekvenser mappas till olika områden på ytan, säger Andreas Tittl, huvudförfattare till studien.

Detta skapar en pixlad karta över ljusabsorption som kan översättas till en molekylär streckkod – allt utan att använda en spektrometer.

Forskarna har redan använt sitt system för att detektera polymerer, bekämpningsmedel och organiska föreningar. Vad mer, deras system är kompatibelt med CMOS-teknik.

"Tack vare våra sensorers unika optiska egenskaper, vi kan generera streckkoder även med bredbandsljuskällor och detektorer, säger Aleksandrs Leitis, en medförfattare till studien.

Det finns ett antal potentiella tillämpningar för detta nya system. "Till exempel, det kan användas för att tillverka bärbara medicinska testenheter som genererar streckkoder för var och en av biomarkörerna som finns i ett blodprov, säger Dragomir Neshev, en annan medförfattare till studien.

Artificiell intelligens skulle kunna användas tillsammans med denna nya teknologi för att skapa och bearbeta ett helt bibliotek av molekylära streckkoder för föreningar som sträcker sig från protein och DNA till bekämpningsmedel och polymerer. Det skulle ge forskarna ett nytt verktyg för att snabbt och exakt upptäcka små mängder av föreningar som finns i komplexa prover.