Forskare vid EPFL visar hur en ljusinducerad kraft kan förstärka känsligheten och upplösningen för en teknik som används för att studera enskilda molekyler.

När det gäller att studera enskilda molekyler, forskare använder en kraftfull teknik som kallas "surface-enhanced Raman scattering" (SERS). Ett extremt känsligt verktyg, SERS upptäcker vibrationerna i atomerna i den upplysta molekylen som en förändring i ljusets färg. Men känsligheten hos SERS är begränsad vid rumstemperatur eftersom molekyler vibrerar för svagt. Publicerar i Naturens nanoteknik , EPFL -forskare visar nu att detta hinder kan övervinnas med verktygen för kavitetsoptomekanik - samspelet mellan ljus och mekaniska föremål. Arbetet har betydande praktiska tillämpningar, eftersom det kan driva SERS-kapaciteten ytterligare.

Ramanspektroskopi och svaga vibrationer

SERS är baserad på principerna för Raman-spektroskopi, en gammal teknik som används för att sondera molekyler:När laserljus lyser på dem, den interagerar med deras vibrationer (t.ex. sträckning av en bindning mellan två atomer). Som ett resultat, ljusets våglängd skiftar, byter färg. Detta skift blir det unika fingeravtrycket för den typ av molekyl som undersöks.

Dock, Ramanspektroskopi är begränsad när det gäller enstaka molekyler eftersom de interagerar mycket svagt med ljus. Detta sker huvudsakligen av två skäl:För det första, en enda molekyl är ungefär tusen gånger mindre än våglängden för inkommande ljus. Utvecklades för cirka fyrtio år sedan, SERS övervann detta problem genom att utnyttja ett litet moln av oscillerande elektroner i metalliska nanopartiklar som exciterades med laserljus. Molnet är känt som en "plasmon" och det kan lokaliseras till luckor i nanometerstorlek där molekyler kan placeras.

Med andra ord, de metalliska nanopartiklarna fungerar som nanoantenner som fokuserar ljus ner till molekylära dimensioner; detta tillvägagångssätt ökade känsligheten hos SERS med mer än 10 storleksordningar. Dock, den andra begränsningen av Raman har kvarstått utan lösning:molekyler vibrerar mycket svagt vid rumstemperatur - eller, i tekniska termer, "de relevanta vibrationslägena är frusna".

Förstärka molekylära vibrationer med ljus

Två medlemmar av Tobias J. Kippenbergs labb vid EPFL har nu hittat en teoretisk lösning på detta problem, visar att SERS faktiskt kan skjutas ännu längre i känslighet och upplösning. Nyckeln för att övervinna de svaga vibrationerna är molnet av oscillerande elektroner, plasmon, som kan utöva en kraft på vibrationerna hos den testade molekylen.

Forskarna Philippe Roelli och Christophe Galland, kunde bestämma de exakta förhållanden som behövs för att denna ljusinducerade kraft ska driva molekylens vibrationer till stora amplituder. Eftersom det vetenskapliga samfundet har satt specifika riktlinjer för detta område, forskarna valde laservåglängder och egenskaper hos de plasmoniska strukturerna mot dessa.

Få ut mer signal från en molekyl

När ljuskraften förstärker molekylens vibrationer, växelverkan mellan molekylen och det begränsade laserljuset blir också starkare. Detta kan dramatiskt öka signalen som SERS fångar upp, långt utöver vad som kan uppnås med tidigare kända mekanismer.

"Vårt arbete erbjuder specifika riktlinjer för att designa mer effektiva metalliska nanostrukturer och excitationssystem för SERS, " säger Philippe Roelli. "Det kan tänja på teknikens gränser i känslighet och upplösning." Genom att göra det, studien öppnar nya forskningsriktningar för kontroll av molekylära vibrationer med ljus, med potentiella tillämpningar från biologi och kemi till kvantteknik.