Optische sensoren kunnen chemische en biologische monsters kwantitatief analyseren door de optische signalen die door de monsters worden geproduceerd, te meten en te verwerken. Optische sensoren op basis van infraroodabsorptiespectroscopie kunnen in realtime een hoge gevoeligheid en selectiviteit bereiken, en spelen daarom een ​​cruciale rol in verschillende toepassingsgebieden zoals omgevingsdetectie, medische diagnostiek, industriële procescontrole en binnenlandse veiligheid.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht:Wetenschap &Toepassingen, een team van wetenschappers, onder leiding van Dr. Peter Q. Liu van de afdeling Elektrotechniek, de Staatsuniversiteit van New York in Buffalo, hebben een nieuw type hoogwaardige optische sensor gedemonstreerd die de oppervlaktespanning van vloeistof kan gebruiken om analytmoleculen te concentreren en op te vangen op de meest gevoelige locaties van de apparaatstructuur, en daardoor de gevoeligheidsprestaties aanzienlijk verbeteren. Gebaseerd op een metaal-isolator-metaal-sandwichstructuur die ook sleuven op nanometerschaal bevat, de sensor kan passief een analytoplossing vasthouden en concentreren in deze kleine greppels terwijl de oplossing geleidelijk verdampt op het sensoroppervlak, en uiteindelijk de geprecipiteerde analytmoleculen in deze greppels vangen. Omdat de lichtintensiteit in deze greppels door het ontwerp ook sterk wordt verbeterd, de interactie tussen licht en de gevangen analytmoleculen wordt drastisch verbeterd, wat leidt tot een gemakkelijk detecteerbaar optisch signaal (d.w.z. veranderingen in het lichtabsorptiespectrum), zelfs op picogramniveau van de analytmassa.

In het algemeen, verschillende moleculaire soorten absorberen infrarood licht op verschillende frequenties, en daarom kan men de gedetecteerde moleculen identificeren en kwantificeren door de waargenomen absorptielijnen in het spectrum te analyseren. Hoewel een dergelijke moleculaire absorptie intrinsiek zwak is, optische sensoren kunnen de moleculaire absorptie drastisch verbeteren door gebruik te maken van geschikte nanostructuren op het oppervlak van het apparaat om licht te beperken tot zeer kleine volumes (zogenaamde hotspots), wat leidt tot een zeer grote lichtintensiteit. Daarbij, elk molecuul in de hotspots kan in een bepaald tijdsinterval veel meer licht absorberen dan een molecuul buiten de hotspots, die het mogelijk maakt om zeer lage hoeveelheden chemische of biologische stoffen met hoge betrouwbaarheid te meten, als er zich voldoende moleculen in de hotspots bevinden. Deze algemene benadering wordt ook wel oppervlakteversterkte infraroodabsorptie (SEIRA) genoemd.

Echter, een belangrijk probleem voor de meeste optische sensoren van SEIRA is dat de hotspots slechts een klein deel van het gehele oppervlak van het apparaat innemen. Anderzijds, de analytmoleculen zijn meestal willekeurig verdeeld over het oppervlak van het apparaat, en daarom bevindt slechts een klein deel van alle analytmoleculen zich in de hotspots en draagt ​​bij aan de verbeterde lichtabsorptie. "Het SEIRA-signaal zou veel groter zijn als de meeste analytmoleculen in de hotspots van een optische sensor kunnen worden afgeleverd. Dit is de belangrijkste motivatie van ons optische sensorontwerp." zei Dr. Liu.

"Er zijn technieken, zoals optische pincetten en diëlektroforese, die kleine deeltjes of zelfs moleculen kan manipuleren en afleveren op doellocaties zoals de hotspots. Echter, deze technieken vereisen een aanzienlijke hoeveelheid energie en zijn ook ingewikkeld om te gebruiken." Dr. Liu voegde toe, "Wat we wilden onderzoeken, is een apparaatstructuur die analytmoleculen die uit een oplossing zijn geprecipiteerd in de hotspots kan vangen op een passieve (zonder energie-input) en effectieve manier, en we realiseerden ons dat we de oppervlaktespanning van vloeistof kunnen gebruiken om dit doel te bereiken."

Naast de demonstratie van hooggevoelige detectie van biomoleculen, het team voerde ook nog een reeks experimenten uit, waaruit bleek dat hetzelfde type apparaatstructuur ook een effectieve vangst van liposoomdeeltjes (~ 100 nm karakteristieke afmeting) in de kleine greppels bereikte. Dit betekent dat dergelijke optische sensoren kunnen worden geoptimaliseerd voor het detecteren en analyseren van nano-objecten zoals virussen of exosomen, die vergelijkbare afmetingen hebben als de liposomen die in de experimenten werden gebruikt.

De wetenschappers zijn van mening dat de gedemonstreerde SEIRA optische sensorontwerpstrategie ook kan worden toegepast op andere soorten optische sensoren. Naast het detecteren van toepassingen, dergelijke apparaatstructuren kunnen ook worden gebruikt voor het manipuleren van objecten op nanoschaal, waaronder exosomen, virussen en kwantumdots.