Ультрачувствительное молекулярное зондирование с синтезированными волнами комплексной частоты

Разработка сенсоров, обладающих достаточной чувствительностью для обнаружения следовых количеств молекул, остаётся сложной задачей.

Перспективный подход — поверхностно-усиленное инфракрасное поглощение (SEIRA), использующее плазмонные наноструктуры для усиления ИК-сигналов молекул на их поверхности. Графен — особенно многообещающий материал для SEIRA благодаря высокой чувствительности и настраиваемости. Однако взаимодействие между графеном и молекулами ослабляется из-за внутреннего молекулярного затухания.

В новой статье в eLight исследователи продемонстрировали подход, улучшающий чувствительность SEIRA. Он использует синтезированные волны комплексной частоты (CFW) для усиления молекулярных сигналов, обнаруживаемых графеновыми сенсорами, как минимум на порядок величины. Метод применим для молекулярного зондирования в разных фазах.

По сравнению с металл-основной SEIRA, сильная локализация поля в графене позволяет достичь отличных результатов в характеристике молекул в газовой и твёрдой фазах. Графен также может усиливать молекулярное ИК-поглощение в водном растворе. Активная настраиваемость графеновых плазмонов расширяет диапазон обнаружения для разных молекулярных колебательных мод путём изменения уровня легирования через напряжение на затворе.

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

Один из способов компенсации затухания — добавление оптических усиливающих материалов, но это требует сложной установки и может увеличить нестабильность и шум. Другая возможность — использование CFW; теоретические исследования доказали, что CFW с временным затуханием могут восстановить потерю информации из-за материальных потерь. Однако создание CFW в реальных оптических системах остаётся сложной задачей.

Исследователи предлагают новый метод синтеза CFW путём комбинирования множества волн реальной частоты. Этот метод был успешно применён для улучшения пространственного разрешения суперлинз.

Учёные демонстрируют, что синтезированные CFW могут кардинально усилить колебательные спектральные отпечатки молекул в графен-основной SEIRA. Они успешно применили синтезированные CFW для улучшения молекулярных сигналов в спектре экстинкции в среднем ИК-диапазоне для биомолекул в разных условиях, включая:

• Прямое измерение множественных колебательных мод молекул дезоксиниваленола (DON).
• Графен-основную SEIRA белков как в твёрдой фазе, так и в водном растворе.

Этот новый подход к SEIRA с использованием синтезированных CFW легко масштабируется на различные технологии SEIRA и может в целом повысить чувствительность обнаружения традиционных технологий SEIRA. Он может быть использован для разработки ультрачувствительных сенсоров для широкого спектра применений, таких как ранняя диагностика заболеваний, персонализированная медицина и быстрое обнаружение токсичных агентов.