(Phys.org) — Gli esperti di nanofotonica della Rice University hanno creato un sensore unico che amplifica la firma ottica delle molecole di circa 100 miliardi di volte. Test pubblicati di recente hanno scoperto che il dispositivo potrebbe identificare con precisione la composizione e la struttura delle singole molecole contenenti meno di 20 atomi.

Il nuovo metodo di imaging, che è descritto questa settimana nel giornale Comunicazioni sulla natura , utilizza una forma di spettroscopia Raman in combinazione con un amplificatore ottico intricato ma riproducibile in massa. I ricercatori del Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) hanno affermato che il sensore a singola molecola è circa 10 volte più potente dei dispositivi precedentemente segnalati.

"Il nostro e altri gruppi di ricerca progettano sensori a molecola singola da diversi anni, ma questo nuovo approccio offre vantaggi rispetto a qualsiasi metodo precedentemente riportato, ", ha affermato il direttore della LANP Naomi Halas, lo scienziato capo dello studio. "Il sensore ideale per una singola molecola sarebbe in grado di identificare una molecola sconosciuta, anche molto piccola, senza alcuna informazione preventiva sulla struttura o sulla composizione di quella molecola. Ciò non è possibile con la tecnologia attuale, ma questa nuova tecnica ha questo potenziale".

Il sensore ottico utilizza la spettroscopia Raman, una tecnica pionieristica negli anni '30 che fiorì dopo l'avvento dei laser negli anni '60. Quando la luce colpisce una molecola, la maggior parte dei suoi fotoni rimbalza o passa direttamente attraverso, ma una minuscola frazione - meno di una su un trilione - viene assorbita e riemessa in un altro livello di energia che differisce dal loro livello iniziale. Misurando e analizzando questi fotoni riemessi attraverso la spettroscopia Raman, gli scienziati possono decifrare i tipi di atomi in una molecola e la loro disposizione strutturale.

Gli scienziati hanno creato una serie di tecniche per potenziare i segnali Raman. Nel nuovo studio, Lo studente laureato LANP Yu Zhang ha usato uno di questi, una tecnica a due laser coerente chiamata "spettroscopia Raman coerente anti-Stokes, " o CARS. Usando CARS in combinazione con un amplificatore di luce composto da quattro minuscoli nanodischi d'oro, Halas e Zhang sono stati in grado di misurare singole molecole in un modo nuovo e potente. LANP ha soprannominato la nuova tecnica "CARS Surface-enhanced, " o SECAR.

"La configurazione a due laser coerenti in SECARS è importante perché il secondo laser fornisce un'ulteriore amplificazione, " ha detto Zhang. "In una configurazione convenzionale a laser singolo, i fotoni passano attraverso due fasi di assorbimento e riemissione, e le firme ottiche vengono solitamente amplificate da 100 milioni a 10 miliardi di volte. Aggiungendo un secondo laser coerente con il primo, la tecnica SECARS impiega un processo multifotone più complesso."

Zhang ha affermato che l'ulteriore amplificazione offre a SECARS il potenziale per affrontare la maggior parte dei campioni sconosciuti. Questo è un ulteriore vantaggio rispetto alle attuali tecniche per il rilevamento di singole molecole, che generalmente richiedono una conoscenza preliminare della frequenza di risonanza di una molecola prima che possa essere misurata con precisione.

Un altro componente chiave del processo SECARS è l'amplificatore ottico del dispositivo, che contiene quattro minuscoli dischi d'oro in una precisa disposizione a forma di diamante. Lo spazio al centro dei quattro dischi è largo circa 15 nanometri. A causa di un effetto ottico chiamato "risonanza di Fano, " le firme ottiche delle molecole catturate in quel vuoto sono drammaticamente amplificate a causa delle efficienti proprietà di raccolta della luce e diffusione del segnale della struttura a quattro dischi.

La risonanza di Fano richiede una disposizione geometrica speciale dei dischi, e una delle specialità di LANP è il design, produzione e analisi di strutture plasmoniche Fano-risonanti come il "quadrumer" a quattro dischi. Nella precedente ricerca LANP, altre strutture geometriche del disco sono state utilizzate per creare potenti processori ottici.

Zhang ha detto che gli amplificatori quadrumer sono una chiave per SECARS, in parte perché realizzati con tecniche litografiche standard e-beam, il che significa che possono essere facilmente prodotti in serie.

"Un gap di 15 nanometri può sembrare piccolo, ma il divario nella maggior parte dei dispositivi concorrenti è dell'ordine di 1 nanometro, " ha detto Zhang. "Il nostro design è molto più robusto perché anche il più piccolo difetto in un dispositivo di un nanometro può avere effetti significativi. Inoltre, il divario maggiore si traduce anche in un'area di destinazione più ampia, l'area in cui si effettuano le misurazioni. L'area di destinazione nel nostro dispositivo è centinaia di volte più grande dell'area di destinazione in un dispositivo a un nanometro, e possiamo misurare le molecole ovunque in quell'area bersaglio, non solo nel centro esatto."

Hala, lo Stanley C. Moore Professor in Ingegneria Elettrica e Informatica e professore di ingegneria biomedica, chimica, fisica e astronomia a Rice, ha affermato che le potenziali applicazioni di SECARS includono il rilevamento chimico e biologico e la ricerca sui metamateriali. Ha detto che i laboratori scientifici sono probabilmente i primi beneficiari della tecnologia.

"L'amplificazione è importante per il rilevamento di piccole molecole perché più piccola è la molecola, più debole è la firma ottica, "Halas ha detto. "Questo metodo di amplificazione è il più potente mai dimostrato, e potrebbe rivelarsi utile in esperimenti in cui le tecniche esistenti non possono fornire dati affidabili".