I sensori sono strumenti essenziali per rilevare e analizzare le tracce di molecole in una varietà di campi, tra cui il monitoraggio ambientale, la sicurezza alimentare e la salute pubblica. Tuttavia, lo sviluppo di sensori con una sensibilità sufficientemente elevata da rilevare queste piccole quantità di molecole rimane una sfida.

Un approccio promettente è l’assorbimento infrarosso potenziato dalla superficie (SEIRA), che utilizza nanostrutture plasmoniche per amplificare i segnali infrarossi delle molecole adsorbite sulla loro superficie. Il grafene è un materiale particolarmente promettente per SEIRA grazie alla sua elevata sensibilità e sintonizzabilità. Tuttavia, l'interazione tra grafene e molecole è indebolita dallo smorzamento molecolare intrinseco.

In un nuovo articolo pubblicato su eLight , ricercatori di diversi istituti hanno dimostrato un nuovo approccio per migliorare la sensibilità di SEIRA. Questo approccio utilizza onde sintetizzate a frequenza complessa (CFW) per amplificare i segnali molecolari rilevati dai sensori basati su grafene di almeno un ordine di grandezza. Si applica anche al rilevamento molecolare in diverse fasi.

SEIRA è stato dimostrato per la prima volta utilizzando film sottili di Ag e Au. Tuttavia, il progresso della nanofabbricazione e lo sviluppo di nuovi materiali plasmonici hanno portato a nanostrutture plasmoniche capaci di un miglioramento molto maggiore dei segnali delle biomolecole. Rispetto al SEIRA a base metallica, il forte confinamento di campo supportato da stati elettronici fermionici di Dirac bidimensionali (2D) consente al SEIRA a base di grafene prestazioni eccellenti nella caratterizzazione molecolare per il rilevamento di gas e fase solida. Il grafene può anche migliorare l'assorbimento IR molecolare in soluzione acquosa.

In particolare, la sintonizzazione attiva dei plasmoni di grafene amplia la loro gamma di frequenze di rilevamento per diverse modalità vibrazionali molecolari modificando il livello di drogaggio tramite la tensione di gate. Questi vantaggi rendono SEIRA a base di grafene una piattaforma unica per il rilevamento di monostrati molecolari.

Tuttavia, lo smorzamento molecolare intrinseco riduce significativamente l'interazione tra i modi vibrazionali e i plasmoni. Di conseguenza, a concentrazioni molto basse, gli spettri dei segnali molecolari potenziati dai plasmoni diventano molto deboli e ampi, finendo per essere oscurati dal rumore.

Un modo per compensare lo smorzamento molecolare è aggiungere materiali di guadagno ottico. Tuttavia, ciò richiede una configurazione complessa che potrebbe non essere compatibile con il sistema di rilevamento. Inoltre, i materiali di guadagno solitamente aumentano l'instabilità e il rumore.

Un'altra possibilità è quella di utilizzare onde a frequenza complessa (CFW); studi teorici hanno dimostrato che il CFW con attenuazione temporale può ripristinare la perdita di informazioni dovuta a perdite materiali. Tuttavia, produrre CFW in sistemi ottici reali rimane un compito impegnativo.

I ricercatori propongono un nuovo metodo per sintetizzare il CFW combinando più onde a frequenza reale. Questo metodo è stato applicato con successo per migliorare la risoluzione spaziale delle superlenti.

I ricercatori dimostrano che i CFW sintetizzati possono migliorare notevolmente le impronte vibrazionali molecolari nel SEIRA a base di grafene. Hanno applicato con successo CFW sintetizzati per migliorare i segnali molecolari nello spettro di estinzione nel medio IR per biomolecole in diverse condizioni, inclusa la misurazione diretta di molteplici modalità vibrazionali delle molecole di deossinivalenolo (DON) e SEIRA di proteine ​​a base di grafene sia in fase solida che in soluzione acquosa .

Questo nuovo approccio a SEIRA utilizzando CFW sintetizzati è altamente scalabile a varie tecnologie SEIRA e può generalmente aumentare la sensibilità di rilevamento delle tradizionali tecnologie SEIRA. Potrebbe essere utilizzato per sviluppare sensori ultrasensibili per un’ampia gamma di applicazioni, come la diagnosi precoce delle malattie, la medicina personalizzata e il rilevamento rapido di agenti tossici. Questo approccio ha il potenziale per rivoluzionare il campo del rilevamento molecolare, consentendo il rilevamento di tracce di molecole attualmente non rilevabili.

Ulteriori informazioni: Kebo Zeng et al, Eccitazione a frequenza complessa sintetizzata per il rilevamento molecolare ultrasensibile, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00058-y

Informazioni sul giornale: eLight

Fornito dall'Accademia cinese delle scienze