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新型分子识别传感器系统诞生 破解红外光谱仪分析难题

导读: EPFL(瑞士联邦理工学院)工程学院(瑞士洛桑)和Australian National University(ANU,澳大利亚国立大学)的科学家们开发了一款紧凑型、高灵敏度纳米光子传感器系统,无需使用传统的光谱学技术便能识别分子的特征吸收。

据麦姆斯咨询介绍,红外光谱学是检测和分析有机化合物的一种基准方法。但是它需要复杂的操作过程和大型、昂贵的仪器设备,因此设备的微型化充满挑战,阻碍了红外光谱技术的一些工业和医疗应用,以及户外现场的数据收集,例如污染物浓度的测量等。此外,其相对较低的灵敏度要求较大的样本量,因而也从根本上限制了其广泛应用。

新型分子识别传感器系统诞生 破解红外光谱仪分析难题

为此,EPFL(瑞士联邦理工学院)工程学院(瑞士洛桑)和Australian National University(ANU,澳大利亚国立大学)的科学家们开发了一款紧凑型、高灵敏度纳米光子传感器系统,无需使用传统的光谱学技术便能识别分子的特征吸收。他们已经将该系统用于聚合物、农药和有机化合物的探测。更为重要的是,这项技术还与CMOS技术兼容。

将分子的特征吸收转译为“条形码”

有机物分子中的化学键都有其特定的方向和振动模式,这影响了分子对光的吸收,使每个分子都有其独一无二的“指纹吸收”。红外光谱学通过检测样本是否吸收分子的指纹特征频率,来探测样本中是否含有给定分子。然而,这种分析需要尺寸庞大、价格昂贵的实验室仪器

EPFL科学家开发的系统包含一种工程化的表面,覆盖有数百个被称为Metapixels(超像素)的微型传感器系统,可以为表面接触的每个分子生成不同的“条形码”。这些条形码可以使用先进的模式识别和分类技术(如人工智能神经网络)进行大规模分析和分类。这项研究成果已发表于今年6月出版的Science杂志。

EPFL开发的这款开创性传感器系统不仅灵敏度高,且能够实现微型化;它采用了能够在纳米尺度捕捉光的纳米结构,因而对系统表面上的样品具有极高的灵敏度。“我们想要探测的分子是纳米级的,因此桥接这一尺寸鸿沟是必不可少的一步”EPFL生物纳米光子系统实验室负责人及本研究联合作者Hatice Altug说。

该系统表面的纳米结构被分为数百个超像素组,每个超像素都以不同的频率共振。当一个分子与系统表面接触时,该分子对光的特征吸收,会改变它接触的所有超像素的振动。

“非常重要的是,这些超像素的排列方式,可使不同的振动频率映射于系统表面的不同区域,”本研究联合作者Andreas Tittl介绍说。这便获得了一种像素化的光吸收图,可以转译为分子条形码。整个过程都不需要使用光谱分析仪。

这款新系统的潜在应用很广。“例如,它可以用于制造便携式医疗测试设备,为血液样本中的每种生物标记物都创建条形码,”本研究联合作者Dragomir Neshev说。

这项技术还可以和人工智能结合,为从蛋白质和DNA到农药和聚合物的各种化合物,创建并处理分子条形码库,为科研人员提供一种新的工具,快速、精确地从复杂样本中发现微量的化合物。

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