Os autores mostram uma metassuperfície de sensor pixelizada para espectroscopia molecular. Consiste em metapixels projetados para concentrar luz em volumes de tamanho nanométrico, a fim de amplificar e detectar a impressão digital de absorção de moléculas de analito em comprimentos de onda de ressonância específicos. A leitura simultânea baseada em imagem de todos os metapixels fornece um mapa espacial da impressão digital de absorção molecular amostrada nos comprimentos de onda de ressonância individuais. Este mapa de absorção pixelado pode ser visto como um código de barras bidimensional da impressão digital molecular, que codifica as bandas de absorção características como características distintas da imagem resultante. Crédito:EPFL
A espectroscopia de infravermelho é o método de referência para detectar e analisar compostos orgânicos. Mas requer procedimentos complicados e grandes, instrumentos caros, tornando a miniaturização do dispositivo um desafio e dificultando seu uso para algumas aplicações industriais e médicas e para a coleta de dados em campo, como para medir as concentrações de poluentes. Além disso, é fundamentalmente limitado por baixas sensibilidades e, portanto, requer grandes quantidades de amostra.
Contudo, cientistas da Escola de Engenharia da EPFL e da Australian National University (ANU) desenvolveram um sistema nanofotônico compacto e sensível que pode identificar as características de absorção de uma molécula sem usar espectrometria convencional.
Seu sistema consiste em uma superfície projetada coberta com centenas de minúsculos sensores chamados metapixels, que pode gerar um código de barras distinto para cada molécula com a qual a superfície entra em contato. Esses códigos de barras podem ser amplamente analisados e classificados usando reconhecimento de padrão avançado e tecnologia de classificação, como redes neurais artificiais. Esta pesquisa - que fica na encruzilhada da física, nanotecnologia e big data - foi publicado em Ciência .
Traduzir moléculas em códigos de barras
Cada uma das ligações químicas nas moléculas orgânicas tem uma orientação e um modo vibracional específicos. Isso significa que cada molécula tem um conjunto de níveis de energia característicos, que estão comumente localizados na faixa do infravermelho médio - correspondendo a comprimentos de onda de cerca de 4 a 10 mícrons. Portanto, cada tipo de molécula absorve luz em diferentes frequências, dando a cada um uma "assinatura" única. A espectroscopia de infravermelho detecta se uma determinada molécula está presente em uma amostra, observando se a amostra absorve os raios de luz nas frequências de assinatura da molécula. Contudo, tais análises requerem instrumentos de laboratório de tamanho e preço robustos.
O sistema pioneiro desenvolvido pelos cientistas da EPFL é altamente sensível e capaz de ser miniaturizado; ele usa nanoestruturas que podem capturar luz em nanoescala e, assim, fornecer níveis de detecção muito altos para amostras na superfície. "As moléculas que queremos detectar são em escala nanométrica, portanto, preencher essa lacuna de tamanho é uma etapa essencial, "diz Hatice Altug, chefe do Laboratório de Sistemas BioNanoFotônicos da EPFL e co-autor do estudo.
As nanoestruturas do sistema são agrupadas nos chamados metapixels, de forma que cada uma ressoe em uma frequência diferente. Quando uma molécula entra em contato com a superfície, a maneira como a molécula absorve luz muda o comportamento de todos os metapixels que toca.
"Importante, os metapixels são organizados de tal forma que diferentes frequências vibracionais são mapeadas para diferentes áreas da superfície, "diz Andreas Tittl, autor principal do estudo.
Isso cria um mapa pixelado de absorção de luz que pode ser traduzido em um código de barras molecular - tudo sem o uso de um espectrômetro.
Os cientistas já usaram seu sistema para detectar polímeros, pesticidas e compostos orgânicos. O que mais, seu sistema é compatível com a tecnologia CMOS.
"Graças às propriedades ópticas exclusivas de nossos sensores, podemos gerar códigos de barras mesmo com fontes de luz de banda larga e detectores, "diz Aleksandrs Leitis, coautor do estudo.
Existem várias aplicações potenciais para este novo sistema. "Por exemplo, poderia ser usado para fazer dispositivos portáteis de teste médico que geram códigos de barras para cada um dos biomarcadores encontrados em uma amostra de sangue, "diz Dragomir Neshev, outro co-autor do estudo.
A inteligência artificial poderia ser usada em conjunto com esta nova tecnologia para criar e processar uma biblioteca completa de códigos de barras moleculares para compostos que variam de proteínas e DNA a pesticidas e polímeros. Isso daria aos pesquisadores uma nova ferramenta para detectar com rapidez e precisão quantidades minúsculas de compostos presentes em amostras complexas.
