eLight: Разработан подход для создания сверхчувствительных сенсоров

Датчики — важнейшие инструменты для обнаружения и анализа следов молекул в самых разных областях, включая мониторинг окружающей среды, безопасность пищевых продуктов и здравоохранение.

Однако разработка датчиков с достаточно высокой чувствительностью для обнаружения крошечных молекул все еще остается сложной задачей.

Одним из перспективных подходов является поверхностно-усиленное инфракрасное поглощение (SEIRA), которое использует плазмонные наноструктуры для усиления инфракрасных сигналов молекул, адсорбированных на их поверхности. Графен является особенно перспективным материалом для SEIRA благодаря своей высокой чувствительности и настраиваемости. Однако взаимодействие между графеном и молекулами ослаблено внутренним молекулярным затуханием.

В новой работе, опубликованной в журнале eLight, исследователи из нескольких институтов продемонстрировали новый подход к улучшению чувствительности SEIRA. Этот подход использует синтезированные комплексно-частотные волны (КЧВ) для усиления молекулярных сигналов, обнаруживаемых датчиками на основе графена, по крайней мере, на порядок. Он также применим к молекулярному зондированию в различных фазах.

Впервые SEIRA была продемонстрирована на тонких пленках Ag и Au. Однако развитие нанопроизводства и разработка новых плазмонных материалов привели к появлению плазмонных наноструктур, способных гораздо сильнее усиливать сигналы биомолекул. По сравнению с SEIRA на основе металлов, сильное ограничение поля, поддерживаемое двумерными (2D) фермионными электронными состояниями Дирака, позволяет использовать SEIRA на основе графена с превосходными характеристиками для определения молекул в газовой и твердой фазах. Графен также может усиливать молекулярное ИК-поглощение в водном растворе.

Примечательно, что активная настраиваемость графеновых плазмонов расширяет диапазон частот обнаружения различных молекулярных колебательных мод путем изменения уровня легирования через напряжение на затворе. Эти преимущества делают SEIRA на основе графена уникальной платформой для обнаружения молекулярных монослоев.

Однако собственное молекулярное затухание значительно снижает взаимодействие между колебательными модами и плазмонами. В результате при очень низких концентрациях спектры молекулярных сигналов, усиленных плазмонами, становятся очень слабыми и широкими и в конечном итоге затмеваются шумом.

Один из способов компенсировать молекулярное затухание — добавить оптические материалы усиления. Однако это требует сложной установки, которая может быть несовместима с системой обнаружения. Кроме того, материалы усиления обычно увеличивают нестабильность и шум.

Другой возможностью является использование волн сложной частоты (CFW); теоретические исследования доказали, что CFW с временным затуханием могут восстановить потерю информации из-за потерь материала. Однако получение CFW в реальных оптических системах остается сложной задачей.

Исследователи предлагают новый метод синтеза CFW путем объединения нескольких реальных частотных волн. Этот метод был успешно применен для улучшения пространственного разрешения суперлинз (см. Guan et al, Science, Science 381, 766-771, 2023).

Исследователи показали, что синтезированные CFW могут значительно улучшить молекулярные колебательные отпечатки в SEIRA на основе графена. Они успешно применяют синтезированные CFW для улучшения молекулярных сигналов в спектре экстинкции среднего ИК-диапазона для биомолекул в различных условиях, включая прямое измерение нескольких колебательных мод молекул дезоксиниваленола (DON) и SEIRA белков на основе графена как в твердой фазе, так и в водном растворе.

Этот новый подход к SEIRA с использованием синтезированных CFWs хорошо масштабируется на различные технологии SEIRA и может в целом увеличить чувствительность обнаружения традиционных технологий SEIRA. Он может быть использован для разработки сверхчувствительных сенсоров для широкого спектра приложений, таких как ранняя диагностика заболеваний, персонализированная медицина и быстрое обнаружение токсичных агентов. Этот подход может произвести революцию в области молекулярного зондирования, позволяя обнаруживать следовые молекулы, которые в настоящее время невозможно обнаружить.

07.01.2024


Подписаться в Telegram



Хайтек

В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ

Образовательное пространство Технологическое м...

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов

Новости компаний, релизы

Московский вуз готовит профессионалов для защиты учебных заведений
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Московский Политех и ведущие российские компании запускают 79 практико-ориентированных образовательных программ
Студенты Университета МИСИС выиграли 2.8 млн рублей в хакатоне «Лидеры цифровой трансформации»
U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред