När nya infektionssjukdomar dyker upp och sprids, ett av de bästa skotten mot nya patogener är att hitta nya mediciner eller vacciner. Men innan droger kan användas som potentiella botemedel, de måste noggrant screenas för komposition, säkerhet och renhet, bland annat. Således, det finns en ökande efterfrågan på teknologier som kan karakterisera kemiska föreningar snabbt och i realtid.

För att tillgodose detta otillfredsställda behov, Forskare vid Texas A&M University har nu uppfunnit en ny teknik som drastiskt kan minska den apparat som används för Raman-spektroskopi, en välkänd teknik som använder ljus för att identifiera föreningars molekylära sammansättning.

"Raman bänkskivor kan vara upp till en meter långa beroende på nivån av spektroskopisk upplösning som behövs, " sa Dr. Pao-Tai Lin, biträdande professor vid institutionen för elektro- och datateknik och institutionen för materialvetenskap och teknik. "Vi har designat ett system som potentiellt kan ersätta dessa skrymmande bänkskivor med ett litet fotoniskt chip som kan passa in i fingertoppen."

Dessutom, Lin sa att deras innovativa fotoniska enhet också kan ha hög genomströmning, kemisk karakterisering i realtid och trots dess storlek, är minst 10 gånger känsligare än konventionella Raman-spektroskopisystem.

En beskrivning av deras studie finns i majnumret av tidskriften Analytisk kemi .

Grunden för Raman-spektroskopi är spridningen av ljus av molekyler. När den träffas av ljus av en viss frekvens, molekyler utför en dans, roterar och vibrerar när energin från den infallande strålen absorberas. När de förlorar sin överskottsenergi, molekyler avger ett lågenergiljus, vilket är karakteristiskt för deras form och storlek. Detta spridda ljus, känt som Ramanspektra, innehåller fingeravtrycken av molekylerna i ett prov.

Typiska bänkskivor för Raman-spektroskopi innehåller ett sortiment av optiska instrument, inklusive linser och galler, för att manipulera ljus. Dessa optiska komponenter med "fritt utrymme" tar mycket utrymme och är en barriär för många applikationer där kemisk avkänning krävs inom små utrymmen eller platser som är svåra att nå. Också, bänkskivor kan vara oöverkomliga för kemisk karakterisering i realtid.

Som ett alternativ till traditionella labbbaserade bänksystem, Lin och hans team vände sig till rörliknande ledningar, kallade vågledare, som kan transportera ljus med mycket liten förlust av energi. Även om många material kan användas för att göra ultratunna vågledare, forskarna valde ett material som kallas aluminiumnitrid eftersom det producerar en låg Raman-bakgrundssignal och är mindre sannolikt att störa Raman-signalen som kommer från ett testprov av intresse.

För att skapa den optiska vågledaren, forskarna använde en teknik som används av industrin för att rita kretsmönster på kiselskivor. Först, använder ultraviolett ljus, de snurrade ett ljuskänsligt material, kallas NR9, på en yta gjord av kiseldioxid. Nästa, genom att använda joniserade gasmolekyler, de bombarderade och belade aluminiumnitrid längs mönstret som bildades av NR9. Till sist, de tvättade sammansättningen med aceton, lämnar efter sig en aluminiumvågledare som bara var tiotals mikrometer i diameter.

För att testa den optiska vågledaren som en Raman-sensor, forskargruppen transporterade en laserstråle genom vågledaren av aluminiumnitrid och belyste ett testprov innehållande en blandning av organiska molekyler. När man undersökte det spridda ljuset, forskarna fann att de kunde urskilja varje typ av molekyl i provet baserat på Raman-spektra och med en känslighet på minst 10 gånger mer än traditionella Raman-bänkskivor.

Lin noterade eftersom deras optiska vågledare har mycket fin bredd, många av dem kan laddas på ett enda fotoniskt chip. Denna arkitektur, han sa, är mycket gynnsam för hög genomströmning, kemisk avkänning i realtid som behövs för läkemedelsutveckling.

"Vår optiska vågledardesign ger en ny plattform för att snabbt övervaka den kemiska sammansättningen av föreningar, tillförlitligt och kontinuerligt. Också, dessa vågledare kan enkelt tillverkas i industriell skala genom att utnyttja de redan befintliga teknikerna för att tillverka halvledarenheter, " sa Lin. "Denna teknik, vi tror, har en direkt fördel för inte bara läkemedelsindustrin utan även för andra industrier, som petroleum, där våra sensorer kan placeras längs underjordiska rör för att övervaka sammansättningen av kolväten."