Het vermogen om kleine hoeveelheden moleculen te detecteren is belangrijk voor zowel chemische detectie als biologische en medische diagnostiek. Vooral, enkele van de meest uitdagende en geavanceerde toepassingen hebben betrekking op zeldzame verbindingen waarvoor slechts een paar moleculen tegelijk aanwezig kunnen zijn. De meest veelbelovende apparaten voor het bereiken van ultraprecieze detectie zijn sensoren op nanoschaal, waar moleculen in kleine openingen tussen kleine gouden platen worden geplaatst. Maar deze methode is alleen effectief als de moleculen nauwkeurig binnen de gaten worden gepositioneerd. Nutsvoorzieningen, Jinghua Teng van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, en collega's van de National University of Singapore hebben een sensor ontwikkeld waarmee moleculen efficiënt worden geleid en op hun plaats worden geplaatst.

De elektronische resonanties die optreden in gouden nanostructuren zijn als zeer krachtige antennes, straling van kleine moleculen in hun omgeving kunnen versterken. Dit maakt zelfs de detectie van afzonderlijke moleculen mogelijk. Om het signaal door de antennes op te vangen, echter, de moleculen moeten precies binnen elektromagnetische 'hot spots' worden gelokaliseerd (zie afbeelding). "We gingen deze uitdaging aan en ontwikkelden een methode om de moleculen selectief te binden aan de elektromagnetische hotspots in de nanoantennestructuur voor een maximaal effect, " legt Teng uit.

De onderzoekers moesten het oppervlak van het apparaat zodanig voorbereiden dat de moleculen zich alleen binden aan de gewenste gebieden tussen de gouden platen - niet aan hen. Ze bereikten dit door een dunne titaniumfilm tussen de goudplaten aan te brengen. Het titanium oxideert in lucht, het vormen van stabiel titaandioxide, dat isoleert en heeft heel andere eigenschappen dan de gouden platen. De onderzoekers bedekten het oppervlak vervolgens met verschillende organische oplossingen die selectief voorkomen dat eiwitten en andere moleculen zich aan het goud binden, terwijl ze de moleculen van belang naar het titaniumpad trekken. Bij de eerste testen signalen van moleculen die aan het titanium in de hotspot waren bevestigd, vertoonden een zes keer hogere gevoeligheid dan die willekeurig over het apparaat waren bevestigd.

De volgende stap zal zijn om de sensorgevoeligheid tot de uiterste limiet te verhogen, legt Teng uit. "Mensen hebben gedroomd van en werken aan de detectie van enkelvoudige moleculen. Dit werk maakt deel uit van deze inspanningen. Het biedt een manier om biomoleculen selectief aan de hotspots te binden en bewijst dat het de moleculaire gevoeligheid kan verbeteren en de benodigde hoeveelheid monster kan verminderen ." Verdere verbeteringen in het ontwerp van het apparaat zijn echter vereist, voegt Teng toe. "Vooruit gaan, we willen de gevoeligheid verder opdrijven door de structuur te optimaliseren en multi-agent sensing in één chip te proberen."