Новый метод визуализации, описанный на этой неделе в журнале Nature Communications, использует форму рамановской спектроскопии в сочетании со сложным, но воспроизводимым массой оптическим усилителем. Исследователи из Лаборатории нанофотоники Райса (LANP) заявили, что датчик на одной молекуле примерно в 10 раз мощнее, чем ранее сообщалось об устройствах.
«Наша и другие исследовательские группы разрабатывают одномолекулярные сенсоры в течение нескольких лет, но этот новый подход предлагает преимущества по сравнению с любым ранее описанным методом», – сказала директор LANP Наоми Халас, ведущий научный сотрудник исследования. "Идеальный одномолекулярный датчик мог бы идентифицировать неизвестную молекулу – даже очень маленькую – без какой-либо предварительной информации о структуре или составе этой молекулы.
Это невозможно с нынешними технологиями, но у этой новой техники есть потенциал."
В оптическом датчике используется спектроскопия комбинационного рассеяния света, методика, впервые примененная в 1930-х годах, которая расцвела после появления лазеров в 1960-х. Когда свет попадает на молекулу, большинство ее фотонов отскакивают или проходят прямо через нее, но крошечная часть – менее одного на триллион – поглощается и повторно излучается на другой энергетический уровень, который отличается от их начального уровня. Измеряя и анализируя эти повторно испускаемые фотоны с помощью рамановской спектроскопии, ученые могут расшифровать типы атомов в молекуле, а также их структурное расположение.
Ученые создали ряд методов для усиления рамановских сигналов. В новом исследовании аспирант LANP Ю Чжан использовал один из них, метод двух когерентных лазеров, названный «когерентной антистоксовой рамановской спектроскопией» или CARS. Используя CARS в сочетании с усилителем света, сделанным из четырех крошечных золотых нанодисков, Халас и Чжан смогли измерить отдельные молекулы новым мощным способом. LANP окрестил новую технику «CARS с улучшенной поверхностью» или SECARS.
«Установка с двумя когерентными лазерами в SECARS важна, потому что второй лазер обеспечивает дополнительное усиление», – сказал Чжан. «В обычной установке с одним лазером фотоны проходят два этапа поглощения и переизлучения, а оптические сигнатуры обычно усиливаются примерно в 100-10 миллиардов раз. Добавляя второй лазер, который когерентен с первым, метод SECARS использует более сложный многофотонный процесс."
Чжан сказал, что дополнительная амплификация дает SECARS возможность работать с большинством неизвестных образцов. Это дополнительное преимущество по сравнению с существующими методами измерения одиночных молекул, которые обычно требуют предварительных знаний о резонансной частоте молекулы, прежде чем ее можно будет точно измерить.
Еще одним ключевым компонентом процесса SECARS является оптический усилитель устройства, который содержит четыре крошечных золотых диска в точном ромбовидном расположении.
Зазор в центре четырех дисков составляет около 15 нанометров в ширину. Благодаря оптическому эффекту, называемому «резонанс Фано», оптические сигнатуры молекул, попавших в этот зазор, значительно усиливаются из-за эффективного сбора света и свойств рассеяния сигнала четырехдисковой структуры.
Резонанс Фано требует особого геометрического расположения дисков, и одной из специализаций LANP является разработка, производство и анализ Фано-резонансных плазмонных структур, таких как четырехдисковый квадрумер."В предыдущем исследовании LANP для создания мощных оптических процессоров использовались другие геометрические структуры дисков.
Чжан сказал, что квадрумерные усилители являются ключом к SECARS, отчасти потому, что они созданы с помощью стандартных методов электронной литографии, что означает, что их можно легко производить в массовом порядке.
«15-нанометровый зазор может показаться небольшим, но в большинстве конкурирующих устройств зазор составляет порядка 1 нанометра», – сказал Чжан. «Наша конструкция намного прочнее, потому что даже малейший дефект в устройстве размером в один нанометр может иметь значительные последствия. Более того, больший зазор также приводит к большей целевой области, области, где проводятся измерения. Целевая область в нашем устройстве в сотни раз больше целевой области в одном нанометровом устройстве, и мы можем измерять молекулы в любом месте этой целевой области, а не только в точном центре."
Халас, Стэнли С. Профессор Мура в области электротехники и вычислительной техники и профессор биомедицинской инженерии, химии, физики и астрономии в Райс сказал, что потенциальные применения SECARS включают химическое и биологическое зондирование, а также исследования метаматериалов. Она сказала, что научные лаборатории, вероятно, первыми получат выгоду от технологии.
«Усиление важно для восприятия малых молекул, потому что чем меньше молекула, тем слабее оптическая сигнатура», – сказал Халас. "Этот метод усиления является наиболее мощным из всех продемонстрированных, и он может оказаться полезным в экспериментах, где существующие методы не могут предоставить надежные данные."
Соавторы исследования: Ю-Ронг Чжэнь, Оара Нойманн, Джаред Дэй и Питер Нордландер, все из Райса.
Исследование было поддержано Министерством обороны, Агентством по снижению оборонной угрозы и Агентством Роберта А. Фонд Уэлча.