Wetenschappers van EPFL laten zien hoe een door licht geïnduceerde kracht de gevoeligheid en resolutie kan versterken van een techniek die wordt gebruikt om afzonderlijke moleculen te bestuderen.

Als het gaat om het bestuderen van afzonderlijke moleculen, wetenschappers gebruiken een krachtige techniek genaamd "surface-enhanced Raman scattering" (SERS). Een uiterst gevoelig instrument, SERS detecteert de trillingen in de atomen van het verlichte molecuul als een verandering in lichtkleur. Maar de gevoeligheid van SERS is bij kamertemperatuur beperkt omdat moleculen te zwak trillen. Publiceren in Natuur Nanotechnologie , EPFL-wetenschappers laten nu zien dat dit obstakel kan worden overwonnen met behulp van de optomechanica van holtes - de interactie tussen licht en mechanische objecten. Het werk heeft belangrijke praktische toepassingen, omdat het de mogelijkheden van SERS nog verder kan vergroten.

Raman-spectroscopie en zwakke trillingen

SERS is gebaseerd op de principes van Raman-spectroscopie, een oude techniek die werd gebruikt om moleculen te onderzoeken:wanneer laserlicht erop schijnt, het interageert met hun trillingen (bijvoorbeeld het uitrekken van een binding tussen twee atomen). Als resultaat, de golflengte van het licht verschuift, van kleur veranderen. Deze verschuiving wordt de unieke vingerafdruk van het type molecuul dat wordt onderzocht.

Echter, Raman-spectroscopie is beperkt als het gaat om afzonderlijke moleculen omdat ze zeer zwak met licht interageren. Dit gebeurt voornamelijk om twee redenen:ten eerste, een enkel molecuul is ongeveer duizend keer kleiner dan de golflengte van binnenkomend licht. Ongeveer veertig jaar geleden ontwikkeld, SERS overwon dit probleem door gebruik te maken van een kleine wolk van oscillerende elektronen in metalen nanodeeltjes die werden geëxciteerd met laserlicht. De wolk staat bekend als een "plasmon" en kan worden gelokaliseerd in gaten ter grootte van nanometers waar moleculen kunnen worden geplaatst.

Met andere woorden, de metalen nanodeeltjes fungeren als nano-antennes die het licht bundelen tot moleculaire afmetingen; deze benadering verhoogde de gevoeligheid van SERS met meer dan 10 ordes van grootte. Echter, de tweede beperking van Raman is blijven bestaan ​​zonder oplossing:moleculen trillen heel zwak bij kamertemperatuur - of, in technische termen, "de relevante vibratiemodi zijn bevroren".

Moleculaire trillingen versterken met licht

Twee leden van Tobias J. Kippenberg's lab bij EPFL hebben nu een theoretische oplossing voor dit probleem gevonden, waaruit blijkt dat SERS zelfs nog verder kan worden gepusht in gevoeligheid en resolutie. De sleutel tot het overwinnen van de zwakke trillingen is de wolk van oscillerende elektronen, het plasmon, die een kracht kan uitoefenen op de trillingen van het geteste molecuul.

Onderzoekers Philippe Roelli en Christophe Galland, waren in staat om de exacte omstandigheden te bepalen die nodig zijn voor deze door licht geïnduceerde kracht om de trillingen van het molecuul tot grote amplituden te drijven. Aangezien de wetenschappelijke gemeenschap specifieke richtlijnen voor dit gebied heeft opgesteld, de onderzoekers kozen lasergolflengten en eigenschappen van de plasmonische structuren daartegen.

Meer signaal uit een molecuul halen

Terwijl de lichtkracht de trillingen van het molecuul versterkt, de interactie tussen het molecuul en het opgesloten laserlicht wordt ook sterker. Dit kan het signaal dat SERS oppikt drastisch verhogen, veel verder gaan dan wat met eerder bekende mechanismen kan worden bereikt.

"Ons werk biedt specifieke richtlijnen voor het ontwerpen van efficiëntere metalen nanostructuren en excitatieschema's voor SERS, ", zegt Philippe Roelli. "Het kan de grenzen van de techniek verleggen in gevoeligheid en resolutie." de studie opent nieuwe onderzoeksrichtingen in de beheersing van moleculaire trillingen met licht, met mogelijke toepassingen variërend van biologie en chemie tot kwantumtechnologieën.