Infrarood (IR) absorptiespectroscopie speelt een centrale rol in materialen en biowetenschappen en veiligheidsdetectie voor de directe analyse van moleculaire vingerafdrukken, inclusief moleculaire structuren, samenstelling, en Milieu.

Echter, IR-inspectie van extreem kleine hoeveelheden moleculen is een uitdaging vanwege IR-achtergrondruis, daarom is er een grote vraag naar het verbeteren van de signaalkwaliteit van deze techniek.

Nutsvoorzieningen, Atsushi Ishikawa en Kenji Tsuruta aan de Okayama Universiteit, in de samenwerking met RIKEN, Japan, hebben een nieuw metamateriaal ontwikkeld - een gemanipuleerd optisch materiaal - om IR-licht op de gewenste manier te manipuleren. Het metamateriaal kan dan de ongewenste achtergrondruis benutten, waardoor het ultieme detectievermogen van IR-spectroscopie drastisch wordt verhoogd.

De onderzoekers kwamen met een uniek asymmetrisch metamateriaalontwerp, gemaakt van 20 nm goudfilms op een siliciumsubstraat (Fig.1) om de polarisatie te roteren, dat is de oriëntatie van IR-golfoscillaties, tijdens metingen. Op deze manier, de moleculen die op het metamateriaal waren bevestigd, vertoonden een andere polarisatie dan de andere, en de onderzoekers waren in staat om alleen het moleculaire doelsignaal te detecteren door het ongewenste achtergrondlicht volledig te elimineren.

De mogelijkheden van het nieuwe metamateriaal werden getest door het vibrerend uitrekken van dubbele koolstofoxidebindingen in een poly(methylmethacrylaat) (PMMA) nanofilm te identificeren. De meting toonde een duidelijke IR-absorptie van koolstofoxide-uitrekking, het bereiken van zeptomol-gevoeligheid met een dramatisch verbeterde signaalkwaliteit (Fig.1).

De nieuwe metamateriaalbenadering die door het team is ontwikkeld, maakte zeer gedetailleerde IR-metingen mogelijk van kleine moleculen op zeptomolniveau, overeenkomend met een paar duizend organische moleculen. De onderzoekers verwachten dat hun nieuwe techniek deuren zal openen voor de ontwikkeling van ultragevoelige IR-inspectietechnologieën voor geavanceerde toepassingen, zoals omgevingsmonitoring en analyse van menselijke adem voor diagnostiek.