(Phys.org) —Os especialistas em nanofotônica da Rice University criaram um sensor exclusivo que amplifica a assinatura óptica de moléculas em cerca de 100 bilhões de vezes. Testes recentemente publicados descobriram que o dispositivo pode identificar com precisão a composição e estrutura de moléculas individuais contendo menos de 20 átomos.

O novo método de imagem, que é descrito esta semana no jornal Nature Communications , usa uma forma de espectroscopia Raman em combinação com um amplificador óptico complexo, mas reproduzível em massa. Pesquisadores do Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP) disseram que o sensor de molécula única é cerca de 10 vezes mais poderoso do que os dispositivos relatados anteriormente.

"O nosso e outros grupos de pesquisa vêm projetando sensores de molécula única há vários anos, mas esta nova abordagem oferece vantagens sobre qualquer método relatado anteriormente, "disse a Diretora do LANP Naomi Halas, o principal cientista do estudo. "O sensor de molécula única ideal seria capaz de identificar uma molécula desconhecida - mesmo uma muito pequena - sem qualquer informação prévia sobre a estrutura ou composição dessa molécula. Isso não é possível com a tecnologia atual, mas esta nova técnica tem esse potencial. "

O sensor óptico usa espectroscopia Raman, uma técnica pioneira na década de 1930 que floresceu após o advento dos lasers na década de 1960. Quando a luz atinge uma molécula, a maioria de seus fótons rebate ou passa diretamente, mas uma pequena fração - menos de um em um trilhão - é absorvida e reemitida em outro nível de energia que difere de seu nível inicial. Ao medir e analisar esses fótons reemitidos por meio da espectroscopia Raman, os cientistas podem decifrar os tipos de átomos em uma molécula, bem como seu arranjo estrutural.

Os cientistas criaram uma série de técnicas para aumentar os sinais Raman. No novo estudo, O estudante de pós-graduação da LANP Yu Zhang usou um destes, uma técnica de laser de dois coerentes chamada "espectroscopia Raman anti-Stokes coerente, "ou CARS. Ao usar CARS em conjunto com um amplificador de luz feito de quatro minúsculos nanodiscos de ouro, Halas e Zhang foram capazes de medir moléculas individuais de uma maneira nova e poderosa. LANP apelidou a nova técnica de "CARROS com superfície aprimorada, "ou SECARS.

"A configuração de dois lasers coerentes em SECARS é importante porque o segundo laser fornece amplificação adicional, "Disse Zhang." Em uma configuração convencional de laser único, os fótons passam por duas etapas de absorção e reemissão, e as assinaturas ópticas são geralmente amplificadas em torno de 100 milhões a 10 bilhões de vezes. Ao adicionar um segundo laser que seja coerente com o primeiro, a técnica SECARS emprega um processo multifotônico mais complexo. "

Zhang disse que a amplificação adicional dá à SECARS o potencial para lidar com a maioria das amostras desconhecidas. Essa é uma vantagem adicional sobre as técnicas atuais para detecção de molécula única, que geralmente requerem um conhecimento prévio sobre a frequência ressonante de uma molécula antes que ela possa ser medida com precisão.

Outro componente-chave do processo SECARS é o amplificador óptico do dispositivo, que contém quatro minúsculos discos de ouro em um arranjo preciso em forma de diamante. A lacuna no centro dos quatro discos tem cerca de 15 nanômetros de largura. Devido a um efeito óptico chamado "ressonância Fano, "as assinaturas ópticas das moléculas capturadas nessa lacuna são dramaticamente amplificadas por causa da coleta de luz eficiente e propriedades de espalhamento de sinal da estrutura de quatro discos.

A ressonância de Fano requer um arranjo geométrico especial dos discos, e uma das especialidades do LANP é o design, produção e análise de estruturas plasmônicas Fano-ressonantes como o "quadrumer" de quatro discos. Na pesquisa anterior do LANP, outras estruturas geométricas de disco foram usadas para criar poderosos processadores ópticos.

Zhang disse que os amplificadores quadruméricos são a chave para o SECARS, em parte porque eles são criados com técnicas litográficas de feixe eletrônico padrão, o que significa que podem ser facilmente produzidos em massa.

"Uma lacuna de 15 nanômetros pode parecer pequena, mas a lacuna na maioria dos dispositivos concorrentes é da ordem de 1 nanômetro, "Zhang disse." Nosso projeto é muito mais robusto porque mesmo o menor defeito em um dispositivo de um nanômetro pode ter efeitos significativos. Além disso, a lacuna maior também resulta em uma área-alvo maior, a área onde as medições são realizadas. A área alvo em nosso dispositivo é centenas de vezes maior do que a área alvo em um dispositivo de um nanômetro, e podemos medir moléculas em qualquer lugar nessa área-alvo, não apenas no centro exato. "

Halas, o Professor Stanley C. Moore em Engenharia Elétrica e de Computação e um professor de engenharia biomédica, química, física e astronomia na Rice, disse que as aplicações potenciais para SECARS incluem sensoriamento químico e biológico, bem como pesquisa de metamateriais. Ela disse que os laboratórios científicos são provavelmente os primeiros beneficiários da tecnologia.

"A amplificação é importante para detectar moléculas pequenas porque quanto menor a molécula, quanto mais fraca a assinatura óptica, "Halas disse." Este método de amplificação é o mais poderoso já demonstrado, e pode ser útil em experimentos em que as técnicas existentes não podem fornecer dados confiáveis. "