eLight: Разработан подход для создания сверхчувствительных сенсоров

Датчики — важнейшие инструменты для обнаружения и анализа следов молекул в самых разных областях, включая мониторинг окружающей среды, безопасность пищевых продуктов и здравоохранение.

Однако разработка датчиков с достаточно высокой чувствительностью для обнаружения крошечных молекул все еще остается сложной задачей.

Одним из перспективных подходов является поверхностно-усиленное инфракрасное поглощение (SEIRA), которое использует плазмонные наноструктуры для усиления инфракрасных сигналов молекул, адсорбированных на их поверхности. Графен является особенно перспективным материалом для SEIRA благодаря своей высокой чувствительности и настраиваемости. Однако взаимодействие между графеном и молекулами ослаблено внутренним молекулярным затуханием.

В новой работе, опубликованной в журнале eLight, исследователи из нескольких институтов продемонстрировали новый подход к улучшению чувствительности SEIRA. Этот подход использует синтезированные комплексно-частотные волны (КЧВ) для усиления молекулярных сигналов, обнаруживаемых датчиками на основе графена, по крайней мере, на порядок. Он также применим к молекулярному зондированию в различных фазах.

Впервые SEIRA была продемонстрирована на тонких пленках Ag и Au. Однако развитие нанопроизводства и разработка новых плазмонных материалов привели к появлению плазмонных наноструктур, способных гораздо сильнее усиливать сигналы биомолекул. По сравнению с SEIRA на основе металлов, сильное ограничение поля, поддерживаемое двумерными (2D) фермионными электронными состояниями Дирака, позволяет использовать SEIRA на основе графена с превосходными характеристиками для определения молекул в газовой и твердой фазах. Графен также может усиливать молекулярное ИК-поглощение в водном растворе.

Примечательно, что активная настраиваемость графеновых плазмонов расширяет диапазон частот обнаружения различных молекулярных колебательных мод путем изменения уровня легирования через напряжение на затворе. Эти преимущества делают SEIRA на основе графена уникальной платформой для обнаружения молекулярных монослоев.

Однако собственное молекулярное затухание значительно снижает взаимодействие между колебательными модами и плазмонами. В результате при очень низких концентрациях спектры молекулярных сигналов, усиленных плазмонами, становятся очень слабыми и широкими и в конечном итоге затмеваются шумом.

Один из способов компенсировать молекулярное затухание — добавить оптические материалы усиления. Однако это требует сложной установки, которая может быть несовместима с системой обнаружения. Кроме того, материалы усиления обычно увеличивают нестабильность и шум.

Другой возможностью является использование волн сложной частоты (CFW); теоретические исследования доказали, что CFW с временным затуханием могут восстановить потерю информации из-за потерь материала. Однако получение CFW в реальных оптических системах остается сложной задачей.

Исследователи предлагают новый метод синтеза CFW путем объединения нескольких реальных частотных волн. Этот метод был успешно применен для улучшения пространственного разрешения суперлинз (см. Guan et al, Science, Science 381, 766-771, 2023).

Исследователи показали, что синтезированные CFW могут значительно улучшить молекулярные колебательные отпечатки в SEIRA на основе графена. Они успешно применяют синтезированные CFW для улучшения молекулярных сигналов в спектре экстинкции среднего ИК-диапазона для биомолекул в различных условиях, включая прямое измерение нескольких колебательных мод молекул дезоксиниваленола (DON) и SEIRA белков на основе графена как в твердой фазе, так и в водном растворе.

Этот новый подход к SEIRA с использованием синтезированных CFWs хорошо масштабируется на различные технологии SEIRA и может в целом увеличить чувствительность обнаружения традиционных технологий SEIRA. Он может быть использован для разработки сверхчувствительных сенсоров для широкого спектра приложений, таких как ранняя диагностика заболеваний, персонализированная медицина и быстрое обнаружение токсичных агентов. Этот подход может произвести революцию в области молекулярного зондирования, позволяя обнаруживать следовые молекулы, которые в настоящее время невозможно обнаружить.

07.01.2024


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

35% переболевших коронавирусом в течение года столкнулись с ухудшением здоровья
35% переболевших коронавирусом в течение года столкнулись с ухудшением здоровья
Science Immunology: Воспаление мозга вызывает мышечную слабость после инфекций
Science Immunology: Воспаление мозга вызывает мышечную слабость после инфекций
Acta Biomaterialia: Гидрогель поможет понять механизм развития Альцгеймера
Acta Biomaterialia: Гидрогель поможет понять механизм развития Альцгеймера
Новая технология фотоэлектрических модулей оптимизирована для городских условий
Новая технология фотоэлектрических модулей оптимизирована для городских условий
CSAA: Как восстановить мир в городе после конфликта — проблемы и перспективы
CSAA: Как восстановить мир в городе после конфликта — проблемы и перспективы
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
ИИ лучше клинических тестов справился с прогнозом течения болезни Альцгеймера
ИИ лучше клинических тестов справился с прогнозом течения болезни Альцгеймера
International Journal of Hydrogen Energy: К 2045 году будем летать на водороде
International Journal of Hydrogen Energy: К 2045 году будем летать на водороде
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
Нанопластики нарушают структуру и функциональность белков в грудном молоке
Нанопластики нарушают структуру и функциональность белков в грудном молоке
Cell: Впервые восстановлена трёхмерная структура хромосом шерстистого мамонта
Cell: Впервые восстановлена трёхмерная структура хромосом шерстистого мамонта
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Вдохновились Дюной: Модификация скафандров позволит перерабатывать мочу в воду
Вдохновились Дюной: Модификация скафандров позволит перерабатывать мочу в воду
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии

Новости компаний, релизы

Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Межсетевой экран защитит компьютерные системы от киберугроз
Университет МИСИС будет готовить специалистов в сфере квантовых технологий
В ВГУВТ будут готовить уникальных специалистов на стыке инженерии и экономики для развития водного транспорта
Казанский ГАУ запускает подготовку специалистов по экологии и природопользованию