Los sensores ópticos pueden analizar cuantitativamente muestras químicas y biológicas midiendo y procesando las señales ópticas producidas por las muestras. Los sensores ópticos basados ​​en espectroscopía de absorción infrarroja pueden lograr una alta sensibilidad y selectividad en tiempo real, y, por lo tanto, desempeñan un papel crucial en una variedad de áreas de aplicación, como la detección ambiental, diagnósticos médicos, control de procesos industriales y seguridad nacional.

En un nuevo artículo publicado en Luz:ciencia y aplicaciones, un equipo de científicos, dirigido por el Dr. Peter Q. Liu del Departamento de Ingeniería Eléctrica, la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, han demostrado un nuevo tipo de sensor óptico de alto rendimiento que puede utilizar la tensión superficial del líquido para concentrar y atrapar moléculas de analito en las ubicaciones más sensibles de la estructura del dispositivo, y por lo tanto mejorar significativamente el rendimiento de la sensibilidad. Basado en una estructura sándwich de metal-aislante-metal que también presenta zanjas a escala nanométrica, el sensor puede retener y concentrar pasivamente una solución de analito en estas pequeñas trincheras a medida que la solución se evapora gradualmente en la superficie del sensor, y eventualmente atrapan las moléculas de analito precipitadas dentro de estas trincheras. Como la intensidad de la luz también se ve muy mejorada en estas trincheras por diseño, la interacción entre la luz y las moléculas de analito atrapadas se mejora drásticamente, que conduce a una señal óptica fácilmente detectable (es decir, cambios en el espectro de absorción de luz) incluso a nivel de picogramos de masa de analito.

En general, diferentes especies moleculares absorben luz infrarroja a diferentes frecuencias, y por lo tanto, se pueden identificar y cuantificar las moléculas detectadas analizando las líneas de absorción observadas en el espectro. Aunque tal absorción molecular es intrínsecamente débil, Los sensores ópticos pueden mejorar drásticamente la absorción molecular mediante el empleo de nanoestructuras adecuadas en la superficie del dispositivo para confinar la luz en volúmenes muy pequeños (los llamados puntos calientes). lo que conduce a una intensidad de luz muy grande. Al hacerlo, cada molécula en los puntos calientes puede absorber mucha más luz en un intervalo de tiempo dado que una molécula fuera de los puntos calientes, lo que permite medir cantidades muy bajas de sustancias químicas o biológicas con alta fiabilidad, si hay suficientes moléculas en los puntos calientes. Este enfoque general también se denomina absorción infrarroja mejorada en la superficie (SEIRA).

Sin embargo, Un problema clave para la mayoría de los sensores ópticos SEIRA es que los puntos calientes solo ocupan una pequeña parte de toda la superficie del dispositivo. Por otra parte, las moléculas de analito generalmente se distribuyen aleatoriamente en la superficie del dispositivo, y, por lo tanto, solo una pequeña fracción de todas las moléculas de analito se encuentran en los puntos calientes y contribuyen a la absorción de luz mejorada. "La señal SEIRA sería mucho mayor si la mayoría de las moléculas de analito pudieran ser enviadas a los puntos calientes de un sensor óptico. Esta es la motivación clave de nuestro diseño de sensor óptico". Dijo el Dr. Liu.

"Hay técnicas, como pinzas ópticas y dielectroforesis, que puede manipular partículas pequeñas o incluso moléculas y enviarlas a ubicaciones objetivo como los puntos calientes. Sin embargo, estas técnicas requieren una cantidad significativa de energía y también son complicadas de utilizar ". El Dr. Liu agregó:"Lo que nos propusimos explorar es una estructura de dispositivo que puede atrapar las moléculas de analito precipitadas de una solución en los puntos calientes de forma pasiva (sin necesidad de entrada de energía) y de forma eficaz, y nos dimos cuenta de que podemos hacer uso de la tensión superficial del líquido para lograr este objetivo ".

Además de la demostración de detección de biomoléculas de alta sensibilidad, el equipo también llevó a cabo otra serie de experimentos, que mostró que el mismo tipo de estructura de dispositivo también logró atrapar de manera efectiva las partículas de liposomas (dimensión característica de ~ 100 nm) en las diminutas trincheras. Esto significa que dichos sensores ópticos se pueden optimizar para detectar y analizar nanoobjetos como virus o exosomas. que tienen tamaños similares a los liposomas utilizados en los experimentos.

Los científicos creen que la estrategia de diseño de sensor óptico SEIRA demostrada también se puede aplicar a otros tipos de sensores ópticos. Además de las aplicaciones de detección, Estas estructuras de dispositivos también se pueden utilizar para manipular objetos a nanoescala, incluidos exosomas, virus y puntos cuánticos.