SPP-avkänning. Nanohålfilmer kan användas i två olika konfigurationer för att känna av molekyler i en vattenlösning. I reflektionsläget (överst), ljus riktas mot provet från vattensidan. I överföringsläget (nederst), ljus riktas mot provet från baksidan, leder till olika SPP-egenskaper. SPP-fältintensiteten representeras av färgdiagrammet. De optiska fälten på toppen och botten beräknas för olika resonansfrekvenser. Kredit:2012 IEEE
Detekteringen av små mängder molekyler är viktig för en myriad av tillämpningar, allt från gasavkänning till biomedicinsk diagnostik. Majoriteten av dessa applikationer kräver att sensorerna är billiga och för engångsbruk, men ändå tillräckligt känsliga för att upptäcka molekyler ner till singelmolekylnivå. Ping Bai och medarbetare vid A*STAR Institute of High Performance Computing och Institute of Materials Research and Engineering har nu studerat egenskaperna hos tunna metallfilmer med hål i dem som är särskilt lovande för molekylär avkänning.
Metalliska tunna filmer med nanometerstora hål i dem är kända för att överföra ljus av speciella våglängder mycket effektivt. Effektiviteten härrör från ytplasmonpolaritoner (SPP) - de kollektiva rörelserna av elektroner på metallytan - som kan fokusera ljus till små fläckar som är mycket mindre än våglängden på ljuset som används (se bild).
Dessa SPP kan användas för att detektera molekylerna genom fluorescensen av spårmolekyler fästa till dem. Denna fluorescens förstärks också kraftigt av SPP och kan lätt detekteras med mikroskop även för små mängder molekyler. "Hela installationen är ultrakompakt för att stödja ett avkänningssystem för vårdcentraler, ” förklarar Bai.
Bai och hans kollegor studerade två avkänningsarrangemang. I det första arrangemanget, ljus riktas mot en film med nanohål i en sned vinkel från samma sida som provet. I det andra arrangemanget, filmen belyses från baksidan så att ljuset färdas genom hålen först. Forskarna fann att varje system har sina egna fördelar.
I "reflektions"-schemat, SPP-effekten är starkare eftersom ljuset är direkt riktat mot provet och inte behöver passera metallfilmen. Dock, det behövs en tjockare film så att ljuset inte passerar igenom. I "överförings"-schemat, intensiteten på ljuset som sänds ut av molekylerna är svagare, men fördelen är att filter och andra sensorer eventuellt kan ingå i metallfilmen, och filmtjockleken kan vara mycket tunnare.
"Det finns därför ingen tydlig fördel för någon av avkänningslägena för sådana filmer, säger Bai. "En sak som framgår av studien, dock, är de tydliga fördelarna med att använda metallfilmer med nanohål som en molekylär avkänningsplattform, säger Bai.
"Detta är bara en ögonblicksbild av hela vårt projekt. I sista hand, vår avkänningsteknik kommer att användas på sjukhus och testcenter, till exempel, vid prostatacancerscreening, eller till och med användas hemma precis som glukostestsatser, ” tillägger Bai.
