Los sensores son herramientas esenciales para detectar y analizar trazas de moléculas en una variedad de campos, incluido el monitoreo ambiental, la seguridad alimentaria y la salud pública. Sin embargo, desarrollar sensores con una sensibilidad lo suficientemente alta como para detectar estas pequeñas cantidades de moléculas sigue siendo un desafío.
Un enfoque prometedor es la absorción infrarroja mejorada en superficie (SEIRA), que utiliza nanoestructuras plasmónicas para amplificar las señales infrarrojas de las moléculas adsorbidas en su superficie. El grafeno es un material particularmente prometedor para SEIRA debido a su alta sensibilidad y sintonizabilidad. Sin embargo, la interacción entre el grafeno y las moléculas se ve debilitada por la amortiguación molecular intrínseca.
En un nuevo artículo publicado en eLight , investigadores de múltiples instituciones demostraron un nuevo enfoque para mejorar la sensibilidad de SEIRA. Este enfoque emplea ondas de frecuencia compleja (CFW) sintetizadas para amplificar las señales moleculares detectadas por sensores basados en grafeno en al menos un orden de magnitud. También se aplica a la detección molecular en diferentes fases.
SEIRA se demostró por primera vez utilizando películas delgadas de Ag y Au. Aún así, el avance de la nanofabricación y el desarrollo de nuevos materiales plasmónicos han llevado a nanoestructuras plasmónicas capaces de mejorar mucho más las señales de las biomoléculas. En comparación con el SEIRA basado en metal, el fuerte confinamiento de campo respaldado por estados electrónicos de fermiones Dirac bidimensionales (2D) permite que el SEIRA basado en grafeno tenga un rendimiento excelente en la caracterización molecular para la detección de fases sólidas y gaseosas. El grafeno también puede mejorar la absorción molecular de IR en solución acuosa.
En particular, la sintonizabilidad activa de los plasmones de grafeno amplía su rango de frecuencia de detección para diferentes modos de vibración molecular al cambiar el nivel de dopaje a través del voltaje de la puerta. Estas ventajas hacen de SEIRA basada en grafeno una plataforma única para la detección de monocapas moleculares.
Sin embargo, la amortiguación molecular intrínseca reduce significativamente la interacción entre los modos vibratorios y los plasmones. Como resultado, en concentraciones muy bajas, los espectros de las señales moleculares potenciadas por el plasmón se vuelven muy débiles y amplios y, en última instancia, eclipsados por el ruido.
Una forma de compensar la amortiguación molecular es agregar materiales de ganancia óptica. Sin embargo, esto requiere una configuración compleja que puede no ser compatible con el sistema de detección. Además, los materiales reforzados suelen aumentar la inestabilidad y el ruido.
Otra posibilidad es utilizar ondas de frecuencia compleja (CFW); Los estudios teóricos han demostrado que el CFW con atenuación temporal puede restaurar la pérdida de información debido a pérdidas materiales. Sin embargo, producir CFW en sistemas ópticos reales sigue siendo una tarea desafiante.
Los investigadores proponen un nuevo método para sintetizar CFW combinando múltiples ondas de frecuencia real. Este método se ha aplicado con éxito para mejorar la resolución espacial de las superlentes.
Los investigadores demuestran que los CFW sintetizados pueden mejorar drásticamente las huellas dactilares vibratorias moleculares en SEIRA basado en grafeno. Aplican con éxito CFW sintetizados para mejorar las señales moleculares en el espectro de extinción del IR medio para biomoléculas en diferentes condiciones, incluida la medición directa de múltiples modos de vibración de moléculas de deoxinivalenol (DON) y SEIRA de proteínas a base de grafeno tanto en fase sólida como en solución acuosa. .
Este nuevo enfoque de SEIRA que utiliza CFW sintetizados es altamente escalable a varias tecnologías SEIRA y, en general, puede aumentar la sensibilidad de detección de las tecnologías SEIRA tradicionales. Podría utilizarse para desarrollar sensores ultrasensibles para una amplia gama de aplicaciones, como el diagnóstico temprano de enfermedades, la medicina personalizada y la detección rápida de agentes tóxicos. Este enfoque tiene el potencial de revolucionar el campo de la detección molecular, permitiendo la detección de trazas de moléculas que actualmente son indetectables.
Más información: Kebo Zeng et al, Excitación de frecuencia compleja sintetizada para detección molecular ultrasensible, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00058-y
Información de la revista: eLight
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
