Этот подход известен как спектроскопия, и он включает изучение того, как свет взаимодействует с незначительными количествами вещества.
Одним из наиболее эффективных видов спектроскопии является инфракрасная абсорбционная спектроскопия, которую ученые используют для обнаружения препаратов, повышающих эффективность, в образцах крови и крошечных частиц взрывчатых веществ в воздухе.
Хотя инфракрасная абсорбционная спектроскопия значительно улучшилась за последние 100 лет, исследователи все еще работают над тем, чтобы сделать эту технологию более чувствительной, недорогой и универсальной.
Новый датчик улавливания света, разработанный командой инженеров Университета в Буффало и описанный в исследовании Advanced Optical Materials, успешно работает во всех трех областях.
«Это новое оптическое устройство может улучшить наши возможности по обнаружению всевозможных биологических и химических образцов», – говорит Цяоцян Гань, доктор философии, доцент кафедры электротехники в Школе инженерных и прикладных наук UB и ведущий автор исследования.
Соавторы исследования, которое будет показано на обложке сентябрьского выпуска Advanced Science News, в лаборатории Гана – Дэнсинь Цзи, Алек Чейни, Нань Чжан Хаомин Сон и Се Цзэн, доктор философии. Дополнительные соавторы из Университета Фудань и Северо-Восточного университета в Китае, а также из Университета Висконсин-Мэдисон.
Датчик работает со светом в средней инфракрасной полосе электромагнитного спектра. Эта часть спектра используется для большинства пультов дистанционного управления, ночного видения и других приложений.
Датчик состоит из двух слоев металла с зажатым между ними изолятором.
Используя технологию изготовления, называемую осаждением атомного слоя, исследователи создали устройство с зазорами менее пяти нанометров (диаметр человеческого волоса составляет примерно 75000 нанометров) между двумя металлическими слоями. Важно отметить, что эти зазоры позволяют сенсору поглощать до 81 процента инфракрасного света, что является значительным улучшением по сравнению с 3 процентами, которые поглощают аналогичные устройства.
Этот процесс известен как спектроскопия поверхностного инфракрасного поглощения (SEIRA).
Датчик, который действует как подложка для исследуемых материалов, повышает чувствительность устройств SEIRA для обнаружения молекул с разрешением от 100 до 1000 раз выше, чем ранее сообщенные результаты.
Это увеличение делает спектроскопию SEIRA сопоставимой с другим типом спектроскопического анализа, спектроскопией Рама с усилением поверхности (SERS), которая измеряет рассеяние света, а не поглощение.
«Развитие SEIRA может быть полезно в любом сценарии, который требует поиска следов молекул», – говорит Джи, первый автор и кандидат наук в лаборатории Гана.
Это включает, помимо прочего, обнаружение наркотиков в крови, материалы для изготовления бомб, мошенничество и отслеживание болезней.
Исследователи планируют продолжить исследования и изучить, как совместить достижения SEIRA с передовыми технологиями SERS.
Исследование поддержано U.S.
Программа нанопроизводства Национального научного фонда, Национальный научный фонд Китая и Китайский совет по стипендиям.