(Phys.org) —Nanofotonica-experts van Rice University hebben een unieke sensor gemaakt die de optische signatuur van moleculen ongeveer 100 miljard keer versterkt. Uit nieuw gepubliceerde tests bleek dat het apparaat de samenstelling en structuur van individuele moleculen met minder dan 20 atomen nauwkeurig kon identificeren.

De nieuwe beeldvormingsmethode, die deze week in het journaal wordt beschreven Natuurcommunicatie , gebruikt een vorm van Raman-spectroscopie in combinatie met een ingewikkelde maar in massa reproduceerbare optische versterker. Onderzoekers van Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) zeiden dat de sensor met één molecuul ongeveer 10 keer krachtiger is dan eerder gerapporteerde apparaten.

"Onze en andere onderzoeksgroepen ontwerpen al enkele jaren sensoren met één molecuul, maar deze nieuwe aanpak biedt voordelen ten opzichte van elke eerder gerapporteerde methode, " zei LANP-directeur Naomi Halas, de hoofdwetenschapper van het onderzoek. "De ideale sensor met één molecuul zou een onbekend molecuul kunnen identificeren - zelfs een heel klein molecuul - zonder enige voorafgaande informatie over de structuur of samenstelling van dat molecuul. Dat is niet mogelijk met de huidige technologie, maar deze nieuwe techniek heeft dat potentieel."

De optische sensor maakt gebruik van Raman-spectroscopie, een techniek die in de jaren dertig van de vorige eeuw werd ontwikkeld en tot bloei kwam na de komst van lasers in de jaren zestig. Als licht een molecuul raakt, de meeste van zijn fotonen kaatsen terug of gaan er direct doorheen, maar een kleine fractie - minder dan één op een biljoen - wordt geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden naar een ander energieniveau dat verschilt van hun oorspronkelijke niveau. Door deze opnieuw uitgezonden fotonen te meten en te analyseren door middel van Raman-spectroscopie, wetenschappers kunnen de soorten atomen in een molecuul ontcijferen, evenals hun structurele rangschikking.

Wetenschappers hebben een aantal technieken ontwikkeld om Raman-signalen te versterken. In de nieuwe studie LANP-afgestudeerde student Yu Zhang gebruikte een van deze, een twee-coherente lasertechniek genaamd "coherente anti-Stokes Raman-spectroscopie, " of CARS. Door CARS te gebruiken in combinatie met een lichtversterker gemaakt van vier kleine gouden nanodiscs, Halas en Zhang waren in staat om afzonderlijke moleculen op een krachtige nieuwe manier te meten. LANP heeft de nieuwe techniek "surface-enhanced CARS, " of SECARS.

"De twee-coherente laseropstelling in SECARS is belangrijk omdat de tweede laser voor verdere versterking zorgt, " zei Zhang. "In een conventionele opstelling met één laser, fotonen doorlopen twee stappen van absorptie en re-emissie, en de optische handtekeningen worden meestal ongeveer 100 miljoen tot 10 miljard keer versterkt. Door een tweede laser toe te voegen die coherent is met de eerste, de SECARS-techniek maakt gebruik van een complexer multifotonproces."

Zhang zei dat de extra versterking SECARS het potentieel geeft om de meeste onbekende monsters aan te pakken. Dat is een bijkomend voordeel ten opzichte van de huidige technieken voor detectie van één molecuul, die over het algemeen een voorkennis over de resonantiefrequentie van een molecuul vereisen voordat deze nauwkeurig kan worden gemeten.

Een ander belangrijk onderdeel van het SECARS-proces is de optische versterker van het apparaat, die vier kleine gouden schijfjes bevat in een precieze ruitvormige opstelling. De opening in het midden van de vier schijven is ongeveer 15 nanometer breed. Als gevolg van een optisch effect dat een "Fano-resonantie" wordt genoemd, "De optische handtekeningen van moleculen die in die opening zijn gevangen, worden dramatisch versterkt vanwege de efficiënte lichtopbrengst en signaalverstrooiingseigenschappen van de structuur met vier schijven.

Fano-resonantie vereist een speciale geometrische opstelling van de schijven, en een van de specialiteiten van LANP is het ontwerp, productie en analyse van Fano-resonante plasmonische structuren zoals de "quadrumer" met vier schijven. In eerder LANP-onderzoek andere geometrische schijfstructuren werden gebruikt om krachtige optische processors te creëren.

Zhang zei dat de quadrumer-versterkers een sleutel zijn tot SECARS, deels omdat ze zijn gemaakt met standaard e-beam lithografische technieken, wat betekent dat ze gemakkelijk in massa kunnen worden geproduceerd.

"Een gat van 15 nanometer klinkt misschien klein, maar de kloof in de meeste concurrerende apparaten is in de orde van 1 nanometer, "Zei Zhang. "Ons ontwerp is veel robuuster omdat zelfs het kleinste defect in een apparaat van één nanometer significante effecten kan hebben. Bovendien, de grotere opening resulteert ook in een groter doelgebied, het gebied waar de metingen plaatsvinden. Het doelgebied in ons apparaat is honderden keren groter dan het doelgebied in een apparaat van één nanometer, en we kunnen moleculen overal in dat doelgebied meten, niet alleen in het exacte centrum."

Hala, de Stanley C. Moore Professor in Electrical and Computer Engineering en een professor in biomedische technologie, scheikunde, natuurkunde en sterrenkunde bij Rice, zei dat de mogelijke toepassingen voor SECARS zowel chemische en biologische detectie als metamaterialenonderzoek omvatten. Ze zei dat wetenschappelijke laboratoria waarschijnlijk de eerste begunstigden van de technologie zijn.

"Amplificatie is belangrijk voor het waarnemen van kleine moleculen, want hoe kleiner het molecuul, hoe zwakker de optische signatuur, " zei Halas. "Deze versterkingsmethode is de krachtigste die tot nu toe is aangetoond, en het zou nuttig kunnen zijn in experimenten waarbij bestaande technieken geen betrouwbare gegevens kunnen leveren."