Los científicos de la EPFL muestran cómo una fuerza inducida por la luz puede amplificar la sensibilidad y la resolución de una técnica utilizada para estudiar moléculas individuales.

Cuando se trata de estudiar moléculas individuales, Los científicos utilizan una técnica poderosa llamada "dispersión Raman mejorada en la superficie" (SERS). Una herramienta extremadamente sensible, SERS detecta las vibraciones dentro de los átomos de la molécula iluminada como un cambio en el color de la luz. Pero la sensibilidad de SERS está limitada a temperatura ambiente porque las moléculas vibran demasiado débilmente. Publicando en Nanotecnología de la naturaleza , Los científicos de EPFL ahora muestran que este obstáculo se puede superar con las herramientas de la optomecánica de cavidades:la interacción entre la luz y los objetos mecánicos. El trabajo tiene importantes aplicaciones prácticas, ya que puede impulsar aún más las capacidades de SERS.

Espectroscopía Raman y vibraciones débiles.

SERS se basa en los principios de la espectroscopia Raman, una técnica antigua utilizada para sondear moléculas:cuando la luz láser las ilumina, interactúa con sus vibraciones (por ejemplo, el estiramiento de un enlace entre dos átomos). Como resultado, la longitud de onda de la luz cambia, cambiando su color. Este cambio se convierte en la huella digital única del tipo de molécula que se está probando.

Sin embargo, La espectroscopia Raman es limitada cuando se trata de moléculas individuales porque interactúan muy débilmente con la luz. Esto sucede principalmente por dos razones:primero, una sola molécula es aproximadamente mil veces más pequeña que la longitud de onda de la luz entrante. Desarrollado hace unos cuarenta años, SERS superó este problema explotando una pequeña nube de electrones oscilantes en nanopartículas metálicas que se excitaron con luz láser. La nube se conoce como "plasmón" y se puede localizar en espacios de tamaño nanométrico donde se pueden colocar las moléculas.

En otras palabras, las nanopartículas metálicas actúan como nano antenas que enfocan la luz hasta las dimensiones moleculares; este enfoque mejoró la sensibilidad de SERS en más de 10 órdenes de magnitud. Sin embargo, la segunda limitación de Raman ha persistido sin solución:las moléculas vibran muy débilmente a temperatura ambiente - o, en términos técnicos, "Los modos vibracionales relevantes están congelados".

Amplificando las vibraciones moleculares con la luz.

Dos miembros del laboratorio de Tobias J. Kippenberg en EPFL ahora han encontrado una solución teórica a este problema, mostrando que SERS en realidad se puede impulsar aún más en sensibilidad y resolución. La clave para superar las vibraciones débiles es la nube de electrones oscilantes, el plasmón, que puede ejercer una fuerza sobre las vibraciones de la molécula probada.

Los investigadores Philippe Roelli y Christophe Galland, pudieron determinar las condiciones exactas necesarias para que esta fuerza inducida por la luz impulse las vibraciones de la molécula a grandes amplitudes. Dado que la comunidad científica ha establecido pautas específicas para este campo, los investigadores eligieron las longitudes de onda del láser y las propiedades de las estructuras plasmónicas contra estas.

Obtener más señal de una molécula

A medida que la fuerza de la luz amplifica las vibraciones de la molécula, la interacción entre la molécula y la luz láser confinada también se hace más fuerte. Esto puede aumentar drásticamente la señal que capta SERS, mucho más allá de lo que se puede alcanzar mediante mecanismos previamente conocidos.

"Nuestro trabajo ofrece pautas específicas para diseñar nanoestructuras metálicas y esquemas de excitación más eficientes para SERS, ", dice Philippe Roelli." Puede superar los límites de la técnica en sensibilidad y resolución ". Al hacerlo, el estudio abre nuevas direcciones de investigación en el control de vibraciones moleculares con luz, con aplicaciones potenciales que van desde la biología y la química hasta las tecnologías cuánticas.