Los autores muestran una metasuperficie de sensor pixelada para espectroscopia molecular. Consiste en metapíxeles diseñados para concentrar la luz en volúmenes de tamaño nanométrico con el fin de amplificar y detectar la huella de absorción de moléculas de analito en longitudes de onda de resonancia específicas. La lectura simultánea basada en imágenes de todos los metapíxeles proporciona un mapa espacial de la huella dactilar de absorción molecular muestreada en las longitudes de onda de resonancia individuales. Este mapa de absorción pixelado puede verse como un código de barras bidimensional de la huella dactilar molecular, que codifica las bandas de absorción características como rasgos distintivos de la imagen resultante. Crédito:EPFL
La espectroscopia infrarroja es el método de referencia para detectar y analizar compuestos orgánicos. Pero requiere procedimientos complicados y grandes, instrumentos caros, haciendo que la miniaturización de dispositivos sea un desafío y obstaculizando su uso para algunas aplicaciones industriales y médicas y para la recopilación de datos en el campo, como para medir concentraciones de contaminantes. Es más, está fundamentalmente limitado por sensibilidades bajas y, por lo tanto, requiere grandes cantidades de muestra.
Sin embargo, Los científicos de la Escuela de Ingeniería de EPFL y de la Universidad Nacional de Australia (ANU) han desarrollado un sistema nanofotónico compacto y sensible que puede identificar las características de absorción de una molécula sin utilizar espectrometría convencional.
Su sistema consiste en una superficie diseñada cubierta con cientos de pequeños sensores llamados metapíxeles, que puede generar un código de barras distinto para cada molécula con la que la superficie entra en contacto. Estos códigos de barras se pueden analizar y clasificar de forma masiva utilizando tecnología avanzada de clasificación y reconocimiento de patrones, como las redes neuronales artificiales. Esta investigación, que se encuentra en la encrucijada de la física, nanotecnología y big data:se ha publicado en Ciencias .
Traducir moléculas a códigos de barras
Los enlaces químicos en las moléculas orgánicas tienen cada uno una orientación y un modo vibracionales específicos. Eso significa que cada molécula tiene un conjunto de niveles de energía característicos, que se encuentran comúnmente en el rango del infrarrojo medio, lo que corresponde a longitudes de onda de alrededor de 4 a 10 micrones. Por lo tanto, cada tipo de molécula absorbe luz a diferentes frecuencias, dando a cada uno una "firma" única. La espectroscopia infrarroja detecta si una molécula determinada está presente en una muestra al ver si la muestra absorbe rayos de luz en las frecuencias características de la molécula. Sin embargo, tales análisis requieren instrumentos de laboratorio con un tamaño y precio considerables.
El sistema pionero desarrollado por los científicos de la EPFL es altamente sensible y capaz de ser miniaturizado; utiliza nanoestructuras que pueden atrapar la luz en la nanoescala y, por lo tanto, proporcionar niveles de detección muy altos para las muestras en la superficie. "Las moléculas que queremos detectar son de escala nanométrica, por lo que salvar esta brecha de tamaño es un paso esencial, "dice Hatice Altug, jefe del Laboratorio de Sistemas BioNanofotónicos de EPFL y coautor del estudio.
Las nanoestructuras del sistema se agrupan en lo que se denominan metapíxeles para que cada una resuene a una frecuencia diferente. Cuando una molécula entra en contacto con la superficie, la forma en que la molécula absorbe la luz cambia el comportamiento de todos los metapíxeles que toca.
"En tono rimbombante, los metapíxeles están dispuestos de tal manera que las diferentes frecuencias vibratorias se mapean en diferentes áreas de la superficie, "dice Andreas Tittl, autor principal del estudio.
Esto crea un mapa pixelado de absorción de luz que se puede traducir en un código de barras molecular, todo sin usar un espectrómetro.
Los científicos ya han utilizado su sistema para detectar polímeros, pesticidas y compuestos orgánicos. Y lo que es más, su sistema es compatible con la tecnología CMOS.
"Gracias a las propiedades ópticas únicas de nuestros sensores, podemos generar códigos de barras incluso con detectores y fuentes de luz de banda ancha, "dice Aleksandrs Leitis, coautor del estudio.
Hay varias aplicaciones potenciales para este nuevo sistema. "Por ejemplo, podría usarse para fabricar dispositivos portátiles de prueba médica que generen códigos de barras para cada uno de los biomarcadores que se encuentran en una muestra de sangre, "dice Dragomir Neshev, otro coautor del estudio.
La inteligencia artificial podría usarse junto con esta nueva tecnología para crear y procesar una biblioteca completa de códigos de barras moleculares para compuestos que van desde proteínas y ADN hasta pesticidas y polímeros. Eso le daría a los investigadores una nueva herramienta para detectar de forma rápida y precisa cantidades minúsculas de compuestos presentes en muestras complejas.
