Infraröd (IR) absorptionsspektroskopi spelar en central roll inom material och biovetenskap och säkerhetsdetektering för direkt analys av molekylära fingeravtryck, inklusive molekylära strukturer, sammansättning, och miljö.

Dock, IR-inspektion av extremt små mängder molekyler är utmanande på grund av bakgrundsljud, därför finns det ett stort behov av att förbättra signalkvaliteten för denna teknik.

Nu, Atsushi Ishikawa och Kenji Tsuruta vid Okayama University, i samarbete med RIKEN, Japan, har utvecklat ett nytt metamaterial - ett konstruerat optiskt material - för att manipulera IR-ljus på önskat sätt. Metamaterialet kan sedan utnyttja det oönskade bakgrundsljudet, vilket dramatiskt ökar den ultimata avkänningsförmågan hos IR-spektroskopi.

Forskarna kom fram till en unik asymmetrisk metamaterialdesign, gjord av 20 nm guldfilmer på ett kiselsubstrat (Fig. 1) för att rotera polarisationen, det är orienteringen av IR-vågsvängningar, under mätningar. På det här sättet, molekylerna fästa på metamaterialet visade annorlunda polarisation än de andra, och forskarna kunde bara detektera målmolekylsignalen genom att helt eliminera det oönskade bakgrundsljuset.

Det nya metamaterialets förmåga testades genom att identifiera vibrationssträckningen av koloxiddubbelbindningar i en poly(metylmetakrylat) (PMMA) nanofilm. Mätningen visade en distinkt IR-absorption av koloxidsträckning, uppnå zeptomolkänslighet med en dramatiskt förbättrad signalkvalitet (Fig.1).

Den nya metamaterialmetoden som utvecklats av teamet möjliggjorde mycket detaljerade IR-mätningar av små molekyler på zeptomolnivå, motsvarande några tusen organiska molekyler. Forskarna förväntar sig att deras nya teknik kommer att öppna dörrar till utvecklingen av ultrakänslig IR-inspektionsteknik för sofistikerade applikationer, såsom miljöövervakning och analys av mänsklig andedräkt för diagnostik.