Os sensores são ferramentas essenciais para detectar e analisar moléculas vestigiais em diversos campos, incluindo monitoramento ambiental, segurança alimentar e saúde pública. No entanto, o desenvolvimento de sensores com sensibilidade suficientemente elevada para detectar estas pequenas quantidades de moléculas continua a ser um desafio.



Uma abordagem promissora é a absorção infravermelha aprimorada pela superfície (SEIRA), que utiliza nanoestruturas plasmônicas para amplificar os sinais infravermelhos de moléculas adsorvidas em sua superfície. O grafeno é um material particularmente promissor para a SEIRA devido à sua alta sensibilidade e sintonizabilidade. No entanto, a interação entre o grafeno e as moléculas é enfraquecida pelo amortecimento molecular intrínseco.

Em um novo artigo publicado no eLight , pesquisadores de diversas instituições demonstraram uma nova abordagem para melhorar a sensibilidade do SEIRA. Esta abordagem emprega ondas de frequência complexa sintetizadas (CFW) para amplificar os sinais moleculares detectados por sensores baseados em grafeno em pelo menos uma ordem de grandeza. Também se aplica à detecção molecular em diferentes fases.

SEIRA foi demonstrada pela primeira vez usando filmes finos de Ag e Au. Ainda assim, o avanço da nanofabricação e o desenvolvimento de novos materiais plasmônicos levaram a nanoestruturas plasmônicas capazes de melhorar muito mais os sinais das biomoléculas. Comparado ao SEIRA baseado em metal, o forte confinamento de campo suportado por estados eletrônicos bidimensionais (2D) de férmions de Dirac permite que o SEIRA baseado em grafeno tenha excelente desempenho na caracterização molecular para detecção de gás e fase sólida. O grafeno também pode aumentar a absorção molecular de IR em solução aquosa.

Notavelmente, a sintonização ativa dos plasmons de grafeno amplia sua faixa de frequência de detecção para diferentes modos vibracionais moleculares, alterando o nível de dopagem via tensão de porta. Essas vantagens tornam o SEIRA baseado em grafeno uma plataforma única para detecção molecular de monocamadas.

No entanto, o amortecimento molecular intrínseco reduz significativamente a interação entre os modos vibracionais e os plasmons. Como resultado, em concentrações muito baixas, os espectros dos sinais moleculares intensificados por plasmons tornam-se muito fracos e amplos, acabando por ser ofuscados pelo ruído.

Uma maneira de compensar o amortecimento molecular é adicionar materiais de ganho óptico. No entanto, isto requer uma configuração complexa que pode não ser compatível com o sistema de detecção. Além disso, os materiais de ganho geralmente aumentam a instabilidade e o ruído.

Outra possibilidade é utilizar ondas de frequência complexa (CFW); estudos teóricos provaram que o CFW com atenuação temporal pode restaurar a perda de informação devido a perdas materiais. No entanto, produzir CFW em sistemas ópticos reais continua a ser uma tarefa desafiadora.

Os pesquisadores propõem um novo método para sintetizar CFW combinando múltiplas ondas de frequência real. Este método foi aplicado com sucesso para melhorar a resolução espacial de superlentes.

Os pesquisadores demonstram que os CFWs sintetizados podem melhorar dramaticamente as impressões digitais vibracionais moleculares na SEIRA baseada em grafeno. Eles aplicam com sucesso CFWs sintetizados para melhorar os sinais moleculares no espectro de extinção de infravermelho médio para biomoléculas sob diferentes condições, incluindo medição direta de múltiplos modos vibracionais de moléculas de desoxinivalenol (DON) e SEIRA de proteínas à base de grafeno em fase sólida e solução aquosa .

Esta nova abordagem para SEIRA usando CFWs sintetizados é altamente escalável para várias tecnologias SEIRA e pode geralmente aumentar a sensibilidade de detecção das tecnologias SEIRA tradicionais. Ele poderia ser usado para desenvolver sensores ultrassensíveis para uma ampla gama de aplicações, como diagnóstico precoce de doenças, medicina personalizada e detecção rápida de agentes tóxicos. Esta abordagem tem o potencial de revolucionar o campo da detecção molecular, permitindo a detecção de vestígios de moléculas que são atualmente indetectáveis.

Mais informações: Kebo Zeng et al, Excitação de frequência complexa sintetizada para detecção molecular ultrassensível, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00058-y
Informações do diário: eLight

Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências