Naarmate nieuwe infectieziekten ontstaan ​​en zich verspreiden, een van de beste maatregelen tegen nieuwe ziekteverwekkers is het vinden van nieuwe medicijnen of vaccins. Maar voordat medicijnen kunnen worden gebruikt als mogelijke remedies, ze moeten nauwgezet worden gescreend op samenstelling, veiligheid en zuiverheid, onder andere. Dus, er is een toenemende vraag naar technologieën die chemische verbindingen snel en in realtime kunnen karakteriseren.

Inspelen op deze onvervulde behoefte, Onderzoekers van de Texas A&M University hebben nu een nieuwe technologie uitgevonden die het apparaat dat wordt gebruikt voor Raman-spectroscopie drastisch kan verkleinen, een bekende techniek die licht gebruikt om de moleculaire samenstelling van verbindingen te identificeren.

"Raman-tafelopstellingen kunnen tot een meter lang zijn, afhankelijk van het vereiste spectroscopische resolutieniveau, " zei Dr. Pao-Tai Lin, universitair docent bij de afdeling Electrical and Computer Engineering en de Department of Materials Science and Engineering. "We hebben een systeem ontworpen dat deze omvangrijke werkbladen mogelijk kan vervangen door een kleine fotonische chip die precies in de top van een vinger past."

In aanvulling, Lin zei dat hun innovatieve fotonische apparaat ook in staat is tot hoge doorvoer, real-time chemische karakterisering en ondanks zijn grootte, is minstens 10 keer gevoeliger dan conventionele tafelmodel Raman-spectroscopiesystemen.

Een beschrijving van hun studie staat in het meinummer van het tijdschrift Analytische scheikunde .

De basis van Raman-spectroscopie is de verstrooiing van licht door moleculen. Wanneer geraakt door licht van een bepaalde frequentie, moleculen voeren een dans uit, roteren en trillen bij het absorberen van de energie van de invallende bundel. Wanneer ze hun overtollige energie verliezen, moleculen zenden een lager energetisch licht uit, wat kenmerkend is voor hun vorm en grootte. Dit verstrooide licht, bekend als de Raman-spectra, bevat de vingerafdrukken van de moleculen in een monster.

Typische werkbladen voor Raman-spectroscopie bevatten een assortiment optische instrumenten, inclusief lenzen en roosters, voor het manipuleren van licht. Deze optische componenten in "vrije ruimte" nemen veel ruimte in beslag en vormen een barrière voor veel toepassingen waar chemische detectie vereist is in kleine ruimtes of op moeilijk bereikbare plaatsen. Ook, benchtops kunnen onbetaalbaar zijn voor realtime chemische karakterisering.

Als alternatief voor traditionele laboratoriumsystemen, Lin en zijn team wendden zich tot buisachtige leidingen, golfgeleiders genoemd, die licht kan transporteren met zeer weinig energieverlies. Hoewel veel materialen kunnen worden gebruikt om ultradunne golfgeleiders te maken, de onderzoekers kozen voor een materiaal dat aluminiumnitride wordt genoemd, omdat het een laag Raman-achtergrondsignaal produceert en minder snel interfereert met het Raman-signaal dat afkomstig is van een testmonster van belang.

Om de optische golfgeleider te maken, de onderzoekers gebruikten een techniek die door de industrie wordt gebruikt voor het tekenen van circuitpatronen op siliciumwafels. Eerst, met behulp van ultraviolet licht, ze spinden een lichtgevoelig materiaal, genaamd NR9, op een oppervlak van silica. Volgende, door gebruik te maken van geïoniseerde gasmoleculen, ze bombardeerden en bedekten aluminiumnitride langs het patroon gevormd door de NR9. Eindelijk, ze wasten het geheel met aceton, en liet een aluminium golfgeleider achter met een diameter van slechts tientallen microns.

Voor het testen van de optische golfgeleider als Raman-sensor, het onderzoeksteam vervoerde een laserstraal door de aluminiumnitride-golfgeleider en verlichtte een testmonster met een mengsel van organische moleculen. Bij het onderzoeken van het verstrooide licht, de onderzoekers ontdekten dat ze elk type molecuul in het monster konden onderscheiden op basis van de Raman-spectra en met een gevoeligheid van minstens 10 keer meer dan traditionele Raman-werkbanken.

Lin merkte op dat hun optische golfgeleiders een zeer fijne breedte hebben, veel van hen kunnen op een enkele fotonische chip worden geladen. Deze architectuur, hij zei, is zeer bevorderlijk voor een hoge doorvoer, realtime chemische detectie die nodig is voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.

"Ons ontwerp van optische golfgeleiders biedt een nieuw platform voor het snel volgen van de chemische samenstelling van verbindingen, betrouwbaar en continu. Ook, deze golfgeleiders kunnen eenvoudig op industriële schaal worden vervaardigd door gebruik te maken van de reeds bestaande technieken om halfgeleiderapparaten te maken, "zei Lin. "Deze technologie, we geloven, heeft een direct voordeel voor niet alleen de farmaceutische industrie, maar zelfs voor andere industrieën, zoals aardolie, waar onze sensoren langs ondergrondse leidingen kunnen worden geplaatst om de samenstelling van koolwaterstoffen te monitoren."