Команда исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии разработала новый нанотехнологический датчик, который преобразует молекулярные отпечатки пальцев в штрих-коды, которые затем могут быть проанализированы и классифицированы с использованием усовершенствованной технологии распознавания и сортировки изображений. Хотя инфракрасная спектроскопия обычно используется для обнаружения и анализа органических соединений, этот новаторский метод, основанный на работе с изображениями, устраняет необходимость в такой сложной технике с ее громоздкими и дорогостоящими инструментами.
Химические связи в органических молекулах имеют определенную ориентацию и способ вибрации, причем каждая молекула имеет набор конкретных уровней энергии, обычно в среднем инфракрасном диапазоне, и, вследствие этого, поглощает свет на разных частотах, чтобы создать уникальную «подпись» (свойство). Инфракрасная спектроскопия работает путём определения наличия молекулы в образце, проверяя, поглощает ли образец световые лучи на свойственных молекуле (сигнатурных) частотах. Однако ИК-спектроскопия препятствует миниатюризации устройства и является трудной для использования в определённой области применений, а также ограниченной низкой чувствительностью.
Данное исследование разработало высокочувствительную систему со специально спроектированной поверхностью, покрытой сотнями небольших датчиков, называемых метапикселями. Когда молекула касается поверхности, то, как молекула поглощает свет, изменяет поведение всех метапикселей, к которым она прикасается. Расположение метапикселей таково, что различные колебательные частоты сопоставляются с разными областями на поверхности, создавая пиксельную карту поглощения света, которая затем может быть переведена в молекулярный штрих-код. Однажды, возможно, искусственный интеллект поможет создать целую библиотеку молекулярных штрих-кодов, обеспечивая способ быстрой идентификации небольшого количества соединений в сложных образцах.
В то время как предыдущие подходы к датчикам инфракрасного поглощения с поверхностным усилением имеют тенденцию использовать металлические антенны, они ограничены внутренними потерями этих металлов. Вместо этого эта конструкция нанофотонного датчика, основанная на диэлектрических резонаторах, позволяет считывать отпечатки анализируемого вещества на основе изображений. Как сказал один из соавторов исследования, Хатис Алтуг: «Этот метод открывает потрясающие новые направления для обнаружения взаимодействий между несколькими молекулярными видами в сложных образцах, особенно когда отпечатки молекулярных компонентов проявляют признаки с большим спектральным разделением или низкими величинами».
Поскольку подход может функционировать с широкополосными источниками света и детекторами, он может быть миниатюризирован, что делает его подходящим для практических применений, таких как реализация портативного медицинского испытательного устройства, которое генерирует штрих-коды для каждого биомаркера, обнаруженного в образце крови. Он также мог бы способствовать обнаружению пестицидов при полевом тестировании воды или количественной оценке полимерных составов в материаловедении.
