(Phys.org) — Les experts en nanophotonique de l'Université Rice ont créé un capteur unique qui amplifie la signature optique des molécules d'environ 100 milliards de fois. Des tests récemment publiés ont révélé que l'appareil pouvait identifier avec précision la composition et la structure de molécules individuelles contenant moins de 20 atomes.

La nouvelle méthode d'imagerie, qui est décrit cette semaine dans le journal Communication Nature , utilise une forme de spectroscopie Raman en combinaison avec un amplificateur optique complexe mais reproductible en masse. Des chercheurs du Laboratoire Rice pour la nanophotonique (LANP) ont déclaré que le capteur à molécule unique est environ 10 fois plus puissant que les appareils précédemment rapportés.

« Le nôtre et d'autres groupes de recherche conçoivent depuis plusieurs années des capteurs à molécule unique, mais cette nouvelle approche offre des avantages par rapport à toute méthode précédemment rapportée, " a déclaré Naomi Halas, directrice du LANP, le scientifique principal de l'étude. « Le capteur à molécule unique idéal serait capable d'identifier une molécule inconnue, même très petite, sans aucune information préalable sur la structure ou la composition de cette molécule. Ce n'est pas possible avec la technologie actuelle, mais cette nouvelle technique a ce potentiel."

Le capteur optique utilise la spectroscopie Raman, une technique pionnière dans les années 1930 qui s'est épanouie après l'avènement des lasers dans les années 1960. Quand la lumière frappe une molécule, la plupart de ses photons rebondissent ou passent directement à travers, mais une infime fraction - moins d'un sur mille milliards - est absorbée et réémise dans un autre niveau d'énergie qui diffère de leur niveau initial. En mesurant et analysant ces photons réémis par spectroscopie Raman, les scientifiques peuvent déchiffrer les types d'atomes dans une molécule ainsi que leur arrangement structurel.

Les scientifiques ont créé un certain nombre de techniques pour amplifier les signaux Raman. Dans la nouvelle étude, L'étudiant diplômé du LANP Yu Zhang a utilisé l'un d'entre eux, une technique à deux lasers cohérents appelée « spectroscopie Raman anti-Stokes cohérente, " ou CARS. En utilisant CARS en conjonction avec un amplificateur de lumière composé de quatre minuscules nanodisques d'or, Halas et Zhang ont pu mesurer des molécules uniques d'une nouvelle manière puissante. LANP a surnommé la nouvelle technique « CARS à surface améliorée, " ou SECARS.

« La configuration à deux lasers cohérents dans SECARS est importante car le deuxième laser fournit une amplification supplémentaire, " a déclaré Zhang. " Dans une configuration à laser unique classique, les photons passent par deux étapes d'absorption et de réémission, et les signatures optiques sont généralement amplifiées environ 100 millions à 10 milliards de fois. En ajoutant un deuxième laser cohérent avec le premier, la technique SECARS utilise un processus multiphotonique plus complexe."

Zhang a déclaré que l'amplification supplémentaire donne au SECARS le potentiel de traiter la plupart des échantillons inconnus. C'est un avantage supplémentaire par rapport aux techniques actuelles de détection de molécules uniques, qui nécessitent généralement une connaissance préalable de la fréquence de résonance d'une molécule avant de pouvoir être mesurée avec précision.

Un autre élément clé du processus SECARS est l'amplificateur optique de l'appareil, qui contient quatre minuscules disques d'or dans un arrangement précis en forme de diamant. L'espace au centre des quatre disques est d'environ 15 nanomètres de large. En raison d'un effet optique appelé "résonance de Fano, " les signatures optiques des molécules capturées dans cet espace sont considérablement amplifiées en raison des propriétés efficaces de récupération de la lumière et de diffusion du signal de la structure à quatre disques.

La résonance Fano nécessite une disposition géométrique particulière des disques, et l'une des spécialités de LANP est la conception, production et analyse de structures plasmoniques à résonance Fano comme le "quadrum" à quatre disques. Dans des recherches antérieures du LANP, d'autres structures de disques géométriques ont été utilisées pour créer de puissants processeurs optiques.

Zhang a déclaré que les amplificateurs quadrumer sont la clé du SECARS, en partie parce qu'ils sont créés avec des techniques de lithographie à faisceau électronique standard, ce qui signifie qu'ils peuvent être facilement produits en série.

"Un écart de 15 nanomètres peut sembler petit, mais l'écart dans la plupart des appareils concurrents est de l'ordre de 1 nanomètre, " a déclaré Zhang. " Notre conception est beaucoup plus robuste car même le plus petit défaut d'un appareil d'un nanomètre peut avoir des effets significatifs. De plus, l'écart plus important se traduit également par une zone cible plus large, la zone où les mesures ont lieu. La zone cible de notre appareil est des centaines de fois plus grande que la zone cible d'un appareil d'un nanomètre, et nous pouvons mesurer des molécules n'importe où dans cette zone cible, pas seulement au centre exact."

Halas, le professeur Stanley C. Moore en génie électrique et informatique et un professeur de génie biomédical, chimie, physique et astronomie à Rice, a déclaré que les applications potentielles de SECARS incluent la détection chimique et biologique ainsi que la recherche sur les métamatériaux. Elle a déclaré que les laboratoires scientifiques seraient probablement les premiers bénéficiaires de la technologie.

"L'amplification est importante pour détecter les petites molécules car plus la molécule est petite, plus la signature optique est faible, " a déclaré Halas. " Cette méthode d'amplification est la plus puissante jamais démontrée, et cela pourrait s'avérer utile dans des expériences où les techniques existantes ne peuvent pas fournir de données fiables."