Illustratie van een moleculaire trillingssensor op de chip op basis van een grafeen IR-detector, waarbij fononpolaritonen (heldere stralen) het moleculaire vingerafdruksignaal versterken dat in de fotostroom is gecodeerd. Krediet: Dr. David Alcaraz, ICFO
Onderzoekers hebben een zeer gevoelige detector ontwikkeld voor het identificeren van moleculen via hun infrarood vibrerende ‘vingerafdruk’. Deze innovatieve detector zet invallend infrarood licht om in ultra-begrensd “nanolicht” in de vorm van fononpolaritonen binnen het actieve gebied van de detector.
Dit mechanisme dient twee cruciale doelen: het verhoogt de algehele gevoeligheid van de detector en verbetert de trillingsvingerafdruk van een nanometerdunne moleculaire laag die bovenop de detector is geplaatst, waardoor de moleculaire vingerafdruk gemakkelijker kan worden gedetecteerd en geanalyseerd. Het compacte ontwerp en de werking op kamertemperatuur van het apparaat zijn veelbelovend voor de ontwikkeling van ultracompacte platforms voor moleculaire en gasdetectietoepassingen.
Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie.
Moleculen hebben een soort vingerafdrukken, unieke kenmerken die kunnen worden gebruikt om ze van elkaar te onderscheiden. Elk type molecuul trilt, wanneer het wordt belicht met het juiste licht, op een karakteristieke frequentie (de resonantiefrequentie, die doorgaans voorkomt bij infrarode frequenties) en sterkte.
Vergelijkbaar met wat er met menselijke vingerafdrukken kan worden gedaan, kan men deze informatie benutten om verschillende soorten moleculen of gassen van elkaar te onderscheiden. Dat kan ons ook beschermen tegen mogelijke gevaren, door giftige en gevaarlijke stoffen of gassen te identificeren in plaats van criminelen.
Een conventionele benadering is infraroodvingerafdrukspectroscopie, waarbij gebruik wordt gemaakt van infraroodreflectie of transmissiespectra om verschillende moleculen te identificeren. De kleine omvang van organische moleculen in vergelijking met de infrarode golflengte resulteert echter in een zwak verstrooiingssignaal, waardoor het een uitdaging wordt om kleine hoeveelheden materiaal te detecteren.
De afgelopen jaren is deze beperking aangepakt met behulp van Surface-Enhanced Infrared Absorption (SEIRA) spectroscopie. SEIRA-spectroscopie maakt gebruik van infrarood nabijveldverbetering door ruwe metalen oppervlakken of metalen nanostructuren om de moleculaire trillingssignalen te versterken. Het belangrijkste voordeel van SEIRA-spectroscopie is het vermogen om zeer kleine materiaalhoeveelheden te meten en te bestuderen.
Onlangs zijn fononpolaritonen – gekoppelde excitaties van elektromagnetische golven met atomaire roostervibraties – met name hyperbolische fononpolaritonen in dunne lagen van hexagonaal boornitride (h-BN) naar voren gekomen als veelbelovende kandidaten voor het vergroten van de gevoeligheid van SEIRA-spectroscopie.
“Eerder hebben we aangetoond dat fononpolaritonen kunnen worden toegepast voor SEIRA-spectroscopie van nanometerdunne moleculaire lagen en gasdetectie, dankzij hun lange levensduur en ultrahoge veldopsluiting”, zegt prof. Rainer Hillenbrand van Nanogune.
SEIRA-spectroscopie blijft echter een far-field-techniek waarvoor omvangrijke apparatuur nodig is, zoals lichtbronnen, SEIRA-substraten en doorgaans stikstofgekoelde infrarooddetectoren. Deze afhankelijkheid van grote instrumenten beperkt het potentieel voor miniaturisatie en on-chip-toepassingen.
“We hebben op grafeen gebaseerde infrarooddetectoren onderzocht die bij kamertemperatuur werken, en we hebben aangetoond dat fononpolaritonen elektrisch kunnen worden gedetecteerd en de detectorgevoeligheid kunnen verbeteren”, voegt prof. Frank Koppens van ICFO toe.
Door deze twee processen te combineren heeft een team van onderzoekers nu met succes de eerste fononische SEIRA-detectie van moleculaire trillingen op de chip aangetoond. Dit resultaat werd mogelijk gemaakt door de gezamenlijke experimentele inspanningen van Nanogune- en ICFO-onderzoekers, samen met theoretische steun van de groepen van Dr. Alexey Nikitin van het Donostia International Physics Center en prof. Luis Martín-Moreno van het Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (CSIC-Universidad de Zaragoza).
Ontdek het nieuwste op het gebied van wetenschap, technologie en ruimtevaart met over 100.000 abonnees die op Phys.org vertrouwen voor dagelijkse inzichten. Meld u aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek dat ertoe doet:dagelijks of wekelijks.
De onderzoekers gebruikten ultra-beperkte HPhP’s om moleculaire vingerafdrukken in nanometerdunne moleculaire lagen rechtstreeks in de fotostroom van een op grafeen gebaseerde detector te detecteren, waardoor de noodzaak voor traditionele omvangrijke IR-detectoren werd geëlimineerd.
“Een van de meest opwindende aspecten van deze aanpak is dat deze op grafeen gebaseerde detector de weg opent naar miniaturisatie”, zegt ICFO-onderzoeker Dr. Sebastián Castilla. “Door deze detector te integreren met microfluïdische kanalen, zouden we een echt ‘lab-op-een-chip’ kunnen creëren, dat in staat is specifieke moleculen in kleine vloeistofmonsters te identificeren, wat de weg vrijmaakt voor medische diagnostiek en omgevingsmonitoring.”
Op de langere termijn gelooft Nanogune-onderzoeker en eerste auteur van het onderzoek, dr. Andrei Bylinkin, dat “on-chip infrarooddetectoren die bij kamertemperatuur werken, snelle moleculaire identificatie mogelijk zouden kunnen maken, mogelijk geïntegreerd in smartphones of draagbare elektronica.” Hij gelooft verder dat “dit een platform zou bieden voor compacte, gevoelige infraroodspectroscopie bij kamertemperatuur.”
Meer informatie:
Andrei Bylinkin et al, On-chip fonon-verbeterde IR-nabijvelddetectie van moleculaire trillingen, Natuurcommunicatie (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53182-9
Tijdschriftinformatie:
Natuurcommunicatie
Aangeboden door Elhuyar Fundazioa
