Sensorer är viktiga verktyg för att upptäcka och analysera spårmolekyler inom en mängd olika områden, inklusive miljöövervakning, livsmedelssäkerhet och folkhälsa. Det är dock fortfarande en utmaning att utveckla sensorer med tillräckligt hög känslighet för att upptäcka dessa små mängder molekyler.
Ett lovande tillvägagångssätt är ytförstärkt infraröd absorption (SEIRA), som använder plasmoniska nanostrukturer för att förstärka de infraröda signalerna från molekyler som adsorberas på deras yta. Grafen är ett särskilt lovande material för SEIRA på grund av dess höga känslighet och avstämbarhet. Interaktionen mellan grafen och molekyler försvagas dock av inneboende molekylär dämpning.
I en ny tidning publicerad i eLight , visade forskare från flera institutioner ett nytt tillvägagångssätt för att förbättra SEIRAs känslighet. Detta tillvägagångssätt använder syntetiserade komplexa frekvensvågor (CFW) för att förstärka de molekylära signalerna som detekteras av grafenbaserade sensorer med åtminstone en storleksordning. Det gäller även molekylär avkänning i olika faser.
SEIRA demonstrerades först med Ag och Au tunna filmer. Fortfarande har utvecklingen av nanotillverkning och utvecklingen av nya plasmoniska material lett till plasmoniska nanostrukturer som kan förbättra signalerna från biomolekyler mycket mer. Jämfört med metallbaserad SEIRA möjliggör stark fältinneslutning stödd av tvådimensionella (2D) Dirac fermion elektroniska tillstånd grafenbaserad SEIRA med utmärkt prestanda i molekylär karakterisering för gas- och fastfasavkänning. Grafen kan också förbättra molekylär IR-absorption i vattenlösning.
Noterbart, den aktiva avstämningen av grafenplasmoner breddar deras detektionsfrekvensområde för olika molekylära vibrationslägen genom att ändra dopningsnivån via grindspänning. Dessa fördelar gör grafenbaserad SEIRA till en unik plattform för molekylär monolagerdetektion.
Emellertid minskar den inneboende molekylära dämpningen avsevärt interaktionen mellan vibrationslägena och plasmoner. Som ett resultat, vid mycket låga koncentrationer, blir spektra av plasmonförstärkta molekylära signaler mycket svaga och breda, till slut överskuggas av brus.
Ett sätt att kompensera för molekylär dämpning är att lägga till material med optisk förstärkning. Detta kräver dock en komplex installation som kanske inte är kompatibel med detektionssystemet. Dessutom ökar förstärkningsmaterial vanligtvis instabiliteten och bruset.
En annan möjlighet är att använda komplexa frekvensvågor (CFW); teoretiska studier har visat att CFW med tidsmässig dämpning kan återställa informationsförlust på grund av materiella förluster. Att producera CFW i verkliga optiska system är dock fortfarande en utmanande uppgift.
Forskarna föreslår en ny metod för att syntetisera CFW genom att kombinera flera realfrekventa vågor. Denna metod har framgångsrikt tillämpats för att förbättra den rumsliga upplösningen av superlinser.
Forskarna visar att syntetiserade CFW dramatiskt kan förbättra de molekylära vibrationsfingeravtrycken i grafenbaserad SEIRA. De tillämpar framgångsrikt syntetiserade CFW:er för att förbättra de molekylära signalerna i mitt-IR-utsläckningsspektrumet för biomolekyler under olika förhållanden, inklusive direkt mätning av flera vibrationssätt av deoxynivalenol (DON) molekyler och grafenbaserad SEIRA av proteiner i både fast fas och vattenlösning .
Denna nya metod för SEIRA med hjälp av syntetiserade CFW:er är mycket skalbar till olika SEIRA-tekniker och kan generellt öka detekteringskänsligheten hos traditionell SEIRA-teknik. Den skulle kunna användas för att utveckla ultrakänsliga sensorer för ett brett spektrum av tillämpningar, såsom tidig sjukdomsdiagnostik, personlig medicin och snabb upptäckt av giftiga ämnen. Detta tillvägagångssätt har potential att revolutionera området för molekylär avkänning, vilket möjliggör detektering av spårmolekyler som för närvarande inte går att upptäcka.
Mer information: Kebo Zeng et al, Syntetiserad komplexfrekvensexcitering för ultrakänslig molekylär avkänning, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00058-y
Journalinformation: eLight
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
