Förmågan att upptäcka små mängder molekyler är viktig för kemisk avkänning samt biologisk och medicinsk diagnostik. Särskilt, några av de mest utmanande och avancerade tillämpningarna involverar sällsynta föreningar för vilka endast ett fåtal molekyler kan vara närvarande åt gången. De mest lovande enheterna för att uppnå detektering med ultrahög precision är sensorer i nanoskala, där molekyler placeras i små luckor mellan små guldplåtar. Men den här metoden är endast effektiv om molekylerna är placerade exakt i mellanrummen. Nu, Jinghua Teng från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, och kollegor från National University of Singapore har utvecklat en sensor där molekyler effektivt styrs och placeras på plats.

De elektroniska resonanserna som förekommer i guld nanostrukturer är som mycket kraftfulla antenner, kan förstärka strålning från små molekyler i deras närhet. Detta tillåter även detektering av enstaka molekyler. För att signalen ska kunna tas upp av antennerna, dock, molekylerna måste vara exakt placerade inom elektromagnetiska "hot spots" (se bild). "Vi närmade oss denna utmaning och utvecklade en metod för att selektivt binda molekylerna till de elektromagnetiska hot spots i nanoantennstrukturen för maximal effekt, " förklarar Teng.

Forskarna behövde förbereda enhetens yta så att molekylerna bara binder till de önskade områdena mellan guldplåtarna - inte på dem. De uppnådde detta genom att deponera en tunn titanfilm mellan guldplåtarna. Titan oxiderar i luft, bildar stabil titandioxid, som är isolerande och har väldigt olika egenskaper än guldplåtarna. Forskarna täckte sedan ytan med olika organiska lösningar som selektivt förhindrar proteiner och andra molekyler från att binda till guldet samtidigt som de lockar de intressanta molekylerna till titankudden. I de första testerna, signaler från molekyler anslutna till titan i hot spot visade en sex gånger högre känslighet än de slumpmässigt fästa över enheten.

Nästa steg blir att öka sensorns känslighet till gränsen, förklarar Teng. "Människor har drömt om och arbetat mot singelmolekylavkänning. Detta arbete är en del av dessa ansträngningar. Det ger ett sätt att selektivt binda biomolekyler till hot spots och bevisar att det kan förbättra den molekylära känsligheten och minska mängden prov som krävs ." Ytterligare förbättringar i enhetsdesign kommer dock att krävas, tillägger Teng. "Går vidare, vi skulle vilja driva på känsligheten ytterligare genom att optimera strukturen och prova multi-agent avkänning i ett chip."