(Phys.org) —Los expertos en nanofotónica de la Universidad de Rice han creado un sensor único que amplifica la firma óptica de las moléculas en aproximadamente 100 mil millones de veces. Las pruebas recientemente publicadas encontraron que el dispositivo podría identificar con precisión la composición y estructura de moléculas individuales que contienen menos de 20 átomos.

El nuevo método de imagen, que se describe esta semana en la revista Comunicaciones de la naturaleza , utiliza una forma de espectroscopía Raman en combinación con un amplificador óptico intrincado pero reproducible en masa. Los investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de Rice (LANP) dijeron que el sensor de molécula única es aproximadamente 10 veces más potente que los dispositivos informados anteriormente.

"El nuestro y otros grupos de investigación han estado diseñando sensores de una sola molécula durante varios años, pero este nuevo enfoque ofrece ventajas sobre cualquier método informado anteriormente, "dijo la directora de LANP, Naomi Halas, el científico principal del estudio. "El sensor ideal de una sola molécula podría identificar una molécula desconocida, incluso una muy pequeña, sin ninguna información previa sobre la estructura o composición de esa molécula. Eso no es posible con la tecnología actual, pero esta nueva técnica tiene ese potencial ".

El sensor óptico utiliza espectroscopía Raman, una técnica pionera en la década de 1930 que floreció después de la llegada de los láseres en la década de 1960. Cuando la luz incide en una molécula, la mayoría de sus fotones rebotan o pasan directamente a través, pero una pequeña fracción, menos de una en un billón, se absorbe y se vuelve a emitir a otro nivel de energía que difiere de su nivel inicial. Al medir y analizar estos fotones reemitidos mediante espectroscopía Raman, los científicos pueden descifrar los tipos de átomos de una molécula, así como su disposición estructural.

Los científicos han creado una serie de técnicas para impulsar las señales Raman. En el nuevo estudio, El estudiante de posgrado de LANP Yu Zhang usó uno de estos, una técnica de dos láser coherente llamada "espectroscopia coherente anti-Stokes Raman, "o CARS. Al usar CARS junto con un amplificador de luz hecho de cuatro diminutos nanodiscos de oro, Halas y Zhang pudieron medir moléculas individuales de una forma nueva y poderosa. LANP ha denominado a la nueva técnica "CARS mejorados en la superficie, "o SECARS.

"La configuración de dos láseres coherentes en SECARS es importante porque el segundo láser proporciona una mayor amplificación, ", Dijo Zhang." En una configuración convencional de un solo láser, los fotones pasan por dos pasos de absorción y reemisión, y las firmas ópticas generalmente se amplifican alrededor de 100 millones a 10 mil millones de veces. Añadiendo un segundo láser coherente con el primero, la técnica SECARS emplea un proceso multifotónico más complejo ".

Zhang dijo que la amplificación adicional le da a SECARS el potencial para abordar la mayoría de las muestras desconocidas. Esa es una ventaja adicional sobre las técnicas actuales para la detección de una sola molécula. que generalmente requieren un conocimiento previo sobre la frecuencia de resonancia de una molécula antes de que pueda medirse con precisión.

Otro componente clave del proceso SECARS es el amplificador óptico del dispositivo, que contiene cuatro pequeños discos de oro en una precisa disposición en forma de diamante. El espacio en el centro de los cuatro discos tiene aproximadamente 15 nanómetros de ancho. Debido a un efecto óptico llamado "resonancia Fano, "Las firmas ópticas de las moléculas atrapadas en ese espacio se amplifican dramáticamente debido a las propiedades eficientes de recolección de luz y dispersión de señales de la estructura de cuatro discos.

La resonancia Fano requiere una disposición geométrica especial de los discos, y una de las especialidades de LANP es el diseño, producción y análisis de estructuras plasmónicas Fano-resonantes como el "cuadrúmero" de cuatro discos. En investigaciones anteriores de LANP, Se utilizaron otras estructuras de disco geométricas para crear potentes procesadores ópticos.

Zhang dijo que los amplificadores cuadrúmeros son clave para SECARS, en parte porque se crean con técnicas litográficas estándar de haz de electrones, lo que significa que pueden producirse en masa fácilmente.

"Una brecha de 15 nanómetros puede parecer pequeña, pero la brecha en la mayoría de los dispositivos de la competencia es del orden de 1 nanómetro, ", Dijo Zhang." Nuestro diseño es mucho más robusto porque incluso el defecto más pequeño en un dispositivo de un nanómetro puede tener efectos significativos. Es más, la brecha más grande también da como resultado un área objetivo más grande, el área donde se realizan las mediciones. El área objetivo en nuestro dispositivo es cientos de veces más grande que el área objetivo en un dispositivo de un nanómetro, y podemos medir moléculas en cualquier lugar de esa área objetivo, no solo en el centro exacto ".

Halas, el profesor Stanley C.Moore en Ingeniería Eléctrica e Informática y profesor de ingeniería biomédica, química, física y astronomía en Rice, dijo que las aplicaciones potenciales de SECARS incluyen la detección química y biológica, así como la investigación de metamateriales. Ella dijo que los laboratorios científicos probablemente sean los primeros beneficiarios de la tecnología.

"La amplificación es importante para detectar moléculas pequeñas porque cuanto más pequeña es la molécula, cuanto más débil sea la firma óptica, "Halas dijo." Este método de amplificación es el más poderoso hasta ahora demostrado, y podría resultar útil en experimentos en los que las técnicas existentes no pueden proporcionar datos fiables ".