(Phys.org) —Nanofotoniksexperter vid Rice University har skapat en unik sensor som förstärker molekylernas optiska signatur med cirka 100 miljarder gånger. Nyligen publicerade tester visade att enheten exakt kunde identifiera sammansättningen och strukturen för enskilda molekyler som innehåller färre än 20 atomer.

Den nya avbildningsmetoden, som beskrivs i veckan i tidningen Naturkommunikation , använder en form av Raman -spektroskopi i kombination med en invecklad men massreproducerbar optisk förstärkare. Forskare vid Rices laboratorium för nanofotonik (LANP) sa att enkelmolekylsensorn är cirka 10 gånger kraftfullare än tidigare rapporterade enheter.

"Vår och andra forskargrupper har konstruerat sensorer med en molekyl i flera år, men detta nya tillvägagångssätt erbjuder fördelar jämfört med alla tidigare rapporterade metoder, "sa LANP -chefen Naomi Halas, ledande forskare på studien. "Den idealiska enkelmolekylsensorn skulle kunna identifiera en okänd molekyl-även en mycket liten-utan någon tidigare information om molekylens struktur eller sammansättning. Det är inte möjligt med nuvarande teknik, men denna nya teknik har den potentialen. "

Den optiska sensorn använder Raman -spektroskopi, en teknik som var pionjär på 1930 -talet som blommade ut efter lasern på 1960 -talet. När ljus träffar en molekyl, de flesta av dess fotoner studsar eller passerar direkt genom, men en liten bråkdel-färre än en i en biljon-absorberas och återutsänds till en annan energinivå som skiljer sig från deras initiala nivå. Genom att mäta och analysera dessa återutsända fotoner genom Raman-spektroskopi, forskare kan dechiffrera typerna av atomer i en molekyl samt deras strukturella arrangemang.

Forskare har skapat ett antal tekniker för att öka Ramans signaler. I den nya studien, LANP -doktorand Yu Zhang använde en av dessa, en tvåkoherent laserteknik som kallas "koherent anti-Stokes Raman-spektroskopi, "eller CARS. Genom att använda CARS i kombination med en ljusförstärkare gjord av fyra små guld nanodiskar, Halas och Zhang kunde mäta enskilda molekyler på ett nytt kraftfullt sätt. LANP har kallat den nya tekniken "ytförbättrade bilar, "eller SECARS.

"Den två-koherenta laseruppsättningen i SECARS är viktig eftersom den andra lasern ger ytterligare förstärkning, "Sade Zhang." I en konventionell enkellaser-installation, fotoner går igenom två steg av absorption och återutsläpp, och de optiska signaturerna förstärks vanligtvis runt 100 miljoner till 10 miljarder gånger. Genom att lägga till en andra laser som är koherent med den första, SECARS -tekniken använder en mer komplex multiphotonprocess. "

Zhang sa att den ytterligare förstärkningen ger SECARS potential att ta itu med de flesta okända prover. Det är en extra fördel jämfört med nuvarande tekniker för enkelmolekylavkänning, som i allmänhet kräver en förkunskap om en molekyls resonansfrekvens innan den kan mätas exakt.

En annan viktig komponent i SECARS -processen är enhetens optiska förstärkare, som innehåller fyra små guldskivor i ett exakt diamantformat arrangemang. Spalten i mitten av de fyra skivorna är cirka 15 nanometer bred. På grund av en optisk effekt som kallas "Fano -resonans, "De optiska signaturerna för molekyler som fångas i det gapet förstärks dramatiskt på grund av de effektiva ljusskördnings- och signalspridningsegenskaperna hos strukturen med fyra skivor.

Fano -resonans kräver ett speciellt geometriskt arrangemang av skivorna, och en av LANPs specialiteter är designen, produktion och analys av Fano-resonanta plasmoniska strukturer som fyrskivans "quadrumer". I tidigare LANP -forskning har andra geometriska skivstrukturer användes för att skapa kraftfulla optiska processorer.

Zhang sa att quadrumerförstärkarna är en nyckel till SECARS, delvis för att de är skapade med standard e-beam litografiska tekniker, vilket innebär att de enkelt kan massproduceras.

"Ett gap på 15 nanometer kan låta litet, men klyftan i de flesta konkurrerande enheter är i storleksordningen 1 nanometer, "Zhang sa." Vår design är mycket mer robust eftersom även den minsta defekten i en en-nanometer enhet kan ha betydande effekter. Dessutom, det större gapet resulterar också i ett större målområde, området där mätningar sker. Målområdet i vår enhet är hundratals gånger större än målområdet i en en-nanometer enhet, och vi kan mäta molekyler var som helst i det målområdet, inte bara i det exakta centrumet. "

Hallå, Stanley C. Moore professor i el- och datateknik och professor i biomedicinsk teknik, kemi, fysik och astronomi vid Rice, sade att de potentiella tillämpningarna för SECARS inkluderar kemisk och biologisk avkänning samt metamaterialforskning. Hon sa att vetenskapliga laboratorier sannolikt kommer att vara de första som får tekniken.

"Amplifiering är viktig för att känna av små molekyler eftersom den mindre molekylen, ju svagare den optiska signaturen, "Sa Halas." Denna förstärkningsmetod är den mest kraftfulla som ännu visats, och det kan visa sig vara användbart i experiment där befintliga tekniker inte kan ge tillförlitlig data. "