Infraroodspectroscopie is de benchmarkmethode voor het detecteren en analyseren van organische verbindingen. Maar het vereist ingewikkelde procedures en grote, dure instrumenten, waardoor miniaturisatie van apparaten een uitdaging vormt en het gebruik ervan voor sommige industriële en medische toepassingen en voor gegevensverzameling in het veld belemmert, zoals voor het meten van concentraties verontreinigende stoffen. Verder, het wordt fundamenteel beperkt door lage gevoeligheden en vereist daarom grote monsterhoeveelheden.

Echter, wetenschappers van EPFL's School of Engineering en van de Australian National University (ANU) hebben een compact en gevoelig nanofotonisch systeem ontwikkeld dat de absorptiekenmerken van een molecuul kan identificeren zonder conventionele spectrometrie te gebruiken.

Hun systeem bestaat uit een geconstrueerd oppervlak bedekt met honderden kleine sensoren die metapixels worden genoemd, die een duidelijke streepjescode kan genereren voor elk molecuul waarmee het oppervlak in contact komt. Deze streepjescodes kunnen massaal worden geanalyseerd en geclassificeerd met behulp van geavanceerde patroonherkenning en sorteertechnologie, zoals kunstmatige neurale netwerken. Dit onderzoek, dat op het kruispunt van de natuurkunde, nanotechnologie en big data—is gepubliceerd in Wetenschap .

Moleculen vertalen naar streepjescodes

De chemische bindingen in organische moleculen hebben elk een specifieke oriëntatie en vibratiemodus. Dat betekent dat elk molecuul een reeks karakteristieke energieniveaus heeft, die zich gewoonlijk in het midden-infraroodbereik bevinden, wat overeenkomt met golflengten van ongeveer 4 tot 10 micron. Daarom, elk type molecuul absorbeert licht op verschillende frequenties, elk een unieke "handtekening" geven. Infraroodspectroscopie detecteert of een bepaald molecuul aanwezig is in een monster door te kijken of het monster lichtstralen absorbeert op de kenmerkende frequenties van het molecuul. Echter, voor dergelijke analyses zijn laboratoriuminstrumenten nodig met een fors formaat en prijskaartje.

Het baanbrekende systeem dat door de EPFL-wetenschappers is ontwikkeld, is zowel zeer gevoelig als kan worden geminiaturiseerd; het maakt gebruik van nanostructuren die licht op nanoschaal kunnen vangen en daardoor zeer hoge detectieniveaus bieden voor monsters op het oppervlak. "De moleculen die we willen detecteren zijn nanometrisch van schaal, dus het overbruggen van deze groottekloof is een essentiële stap, " zegt Hatice Altug, hoofd van EPFL's BioNanoPhotonic Systems Laboratory en een co-auteur van de studie.

De nanostructuren van het systeem zijn gegroepeerd in zogenaamde metapixels, zodat elk op een andere frequentie resoneert. Wanneer een molecuul in contact komt met het oppervlak, de manier waarop het molecuul licht absorbeert, verandert het gedrag van alle metapixels die het aanraakt.

"Belangrijk, de metapixels zijn zo gerangschikt dat verschillende trillingsfrequenties worden toegewezen aan verschillende gebieden op het oppervlak, " zegt Andreas Tittl, hoofdauteur van de studie.

Dit creëert een gepixelde kaart van lichtabsorptie die kan worden vertaald in een moleculaire streepjescode - en dat allemaal zonder een spectrometer te gebruiken.

De wetenschappers hebben hun systeem al gebruikt om polymeren te detecteren, pesticiden en organische verbindingen. Bovendien, hun systeem is compatibel met CMOS-technologie.

"Dankzij de unieke optische eigenschappen van onze sensoren, we kunnen zelfs met breedbandlichtbronnen en -detectoren streepjescodes genereren, " zegt Aleksandrs Leïtis, een co-auteur van de studie.

Er zijn een aantal mogelijke toepassingen voor dit nieuwe systeem. "Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om draagbare medische testapparaten te maken die streepjescodes genereren voor elk van de biomarkers die in een bloedmonster worden gevonden, " zegt Dragomir Neshev, een andere co-auteur van de studie.

Kunstmatige intelligentie zou in combinatie met deze nieuwe technologie kunnen worden gebruikt om een ​​hele bibliotheek van moleculaire streepjescodes te creëren en te verwerken voor verbindingen variërend van eiwitten en DNA tot pesticiden en polymeren. Dat zou onderzoekers een nieuwe tool geven om snel en nauwkeurig minuscule hoeveelheden verbindingen in complexe monsters te detecteren.