Sensoren zijn essentiële hulpmiddelen voor het detecteren en analyseren van sporenmoleculen op verschillende gebieden, waaronder milieumonitoring, voedselveiligheid en volksgezondheid. Het blijft echter een uitdaging om sensoren te ontwikkelen die voldoende gevoelig zijn om deze kleine hoeveelheden moleculen te detecteren.

Een veelbelovende aanpak is oppervlakte-verbeterde infraroodabsorptie (SEIRA), waarbij plasmonische nanostructuren worden gebruikt om de infraroodsignalen van moleculen die op hun oppervlak zijn geadsorbeerd te versterken. Grafeen is een bijzonder veelbelovend materiaal voor SEIRA vanwege de hoge gevoeligheid en afstembaarheid. De interactie tussen grafeen en moleculen wordt echter verzwakt door intrinsieke moleculaire demping.

In een nieuw artikel gepubliceerd in eLight hebben onderzoekers van meerdere instellingen een nieuwe aanpak gedemonstreerd om de gevoeligheid van SEIRA te verbeteren. Deze aanpak maakt gebruik van gesynthetiseerde complexe frequentiegolven (CFW) om de moleculaire signalen die worden gedetecteerd door op grafeen gebaseerde sensoren met minstens een orde van grootte te versterken. Het geldt ook voor moleculaire detectie in verschillende fasen.

SEIRA werd voor het eerst gedemonstreerd met behulp van Ag- en Au-dunne films. Toch hebben de vooruitgang van nanofabricage en de ontwikkeling van nieuwe plasmonische materialen geleid tot plasmonische nanostructuren die in staat zijn tot een veel grotere verbetering van biomolecuulsignalen. Vergeleken met op metaal gebaseerde SEIRA maakt sterke veldbeperking, ondersteund door tweedimensionale (2D) Dirac-fermion elektronische toestanden, op grafeen gebaseerde SEIRA mogelijk met uitstekende prestaties bij moleculaire karakterisering voor gas- en vaste-fasedetectie. Grafeen kan ook de moleculaire IR-absorptie in waterige oplossingen verbeteren.

Met name de actieve afstembaarheid van grafeenplasmonen verbreedt hun detectiefrequentiebereik voor verschillende moleculaire trillingsmodi door het dopingniveau via poortspanning te veranderen. Deze voordelen maken het op grafeen gebaseerde SEIRA tot een uniek platform voor moleculaire monolaagdetectie.

Intrinsieke moleculaire demping vermindert echter aanzienlijk de interactie tussen de trillingsmodi en plasmonen. Als gevolg hiervan worden de spectra van door plasmon versterkte moleculaire signalen bij zeer lage concentraties zeer zwak en breed, en uiteindelijk overschaduwd door ruis.

Eén manier om moleculaire demping te compenseren is door optische versterkingsmaterialen toe te voegen. Dit vereist echter een complexe opzet die mogelijk niet compatibel is met het detectiesysteem. Bovendien verhogen versterkingsmaterialen doorgaans de instabiliteit en het geluid.

Een andere mogelijkheid is het gebruik van golven met complexe frequenties (CFW); theoretische studies hebben aangetoond dat CFW met tijdelijke verzwakking informatieverlies als gevolg van materiële verliezen kan herstellen. Het produceren van CFW in echte optische systemen blijft echter een uitdagende taak.

De onderzoekers stellen een nieuwe methode voor voor het synthetiseren van CFW door meerdere golven met reële frequentie te combineren. Deze methode is met succes toegepast om de ruimtelijke resolutie van superlenzen te verbeteren.

De onderzoekers tonen aan dat gesynthetiseerde CFW's de moleculaire vibratievingerafdrukken in op grafeen gebaseerde SEIRA dramatisch kunnen verbeteren. Ze passen met succes gesynthetiseerde CFW's toe om de moleculaire signalen in het mid-IR-extinctiespectrum voor biomoleculen onder verschillende omstandigheden te verbeteren, waaronder directe meting van meerdere trillingsmodi van deoxynivalenol (DON) -moleculen en op grafeen gebaseerde SEIRA van eiwitten in zowel vaste fase als waterige oplossing .

Deze nieuwe benadering van SEIRA met behulp van gesynthetiseerde CFW's is zeer schaalbaar voor verschillende SEIRA-technologieën en kan over het algemeen de detectiegevoeligheid van traditionele SEIRA-technologieën vergroten. Het zou kunnen worden gebruikt om ultragevoelige sensoren te ontwikkelen voor een breed scala aan toepassingen, zoals vroege ziektediagnose, gepersonaliseerde geneeskunde en snelle detectie van toxische stoffen. Deze aanpak heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen op het gebied van moleculaire detectie, waardoor de detectie van sporenmoleculen mogelijk wordt die momenteel niet detecteerbaar zijn.

Meer informatie: Kebo Zeng et al, Gesynthetiseerde excitatie met complexe frequenties voor ultragevoelige moleculaire detectie, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00058-y

Journaalinformatie: eLight

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen