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

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...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса