Les capteurs sont des outils essentiels pour détecter et analyser des molécules traces dans divers domaines, notamment la surveillance environnementale, la sécurité alimentaire et la santé publique. Cependant, développer des capteurs suffisamment sensibles pour détecter ces infimes quantités de molécules reste un défi.
Une approche prometteuse est l’absorption infrarouge améliorée en surface (SEIRA), qui utilise des nanostructures plasmoniques pour amplifier les signaux infrarouges des molécules adsorbées à leur surface. Le graphène est un matériau particulièrement prometteur pour SEIRA en raison de sa haute sensibilité et de sa grande adaptabilité. Cependant, l'interaction entre le graphène et les molécules est affaiblie par l'amortissement moléculaire intrinsèque.
Dans un nouvel article publié dans eLight , des chercheurs de plusieurs institutions ont démontré une nouvelle approche pour améliorer la sensibilité du SEIRA. Cette approche utilise des ondes de fréquence complexe synthétisées (CFW) pour amplifier les signaux moléculaires détectés par les capteurs à base de graphène d'au moins un ordre de grandeur. Cela s'applique également à la détection moléculaire dans différentes phases.
SEIRA a été démontré pour la première fois en utilisant des couches minces d'Ag et d'Au. Pourtant, les progrès de la nanofabrication et le développement de nouveaux matériaux plasmoniques ont conduit à des nanostructures plasmoniques capables d’améliorer beaucoup plus les signaux des biomolécules. Par rapport au SEIRA à base de métal, un fort confinement de champ soutenu par des états électroniques bidimensionnels (2D) du fermion de Dirac permet au SEIRA à base de graphène d'excellentes performances en matière de caractérisation moléculaire pour la détection de gaz et de phase solide. Le graphène peut également améliorer l'absorption moléculaire des IR en solution aqueuse.
Notamment, l'accordabilité active des plasmons de graphène élargit leur plage de fréquences de détection pour différents modes de vibration moléculaire en modifiant le niveau de dopage via la tension de grille. Ces avantages font de SEIRA à base de graphène une plateforme unique pour la détection de monocouches moléculaires.
Cependant, l’amortissement moléculaire intrinsèque réduit considérablement l’interaction entre les modes vibrationnels et les plasmons. En conséquence, à de très faibles concentrations, les spectres des signaux moléculaires améliorés par les plasmons deviennent très faibles et larges, pour finalement être éclipsés par le bruit.
Une façon de compenser l’amortissement moléculaire consiste à ajouter des matériaux à gain optique. Cependant, cela nécessite une configuration complexe qui peut ne pas être compatible avec le système de détection. De plus, les matériaux de gain augmentent généralement l'instabilité et le bruit.
Une autre possibilité consiste à utiliser des ondes à fréquence complexe (CFW); des études théoriques ont prouvé que le CFW avec atténuation temporelle peut restaurer la perte d'informations due aux pertes matérielles. Cependant, produire du CFW dans des systèmes optiques réels reste une tâche difficile.
Les chercheurs proposent une nouvelle méthode de synthèse de CFW en combinant plusieurs ondes de fréquence réelle. Cette méthode a été appliquée avec succès pour améliorer la résolution spatiale des super-objectifs.
Les chercheurs démontrent que les CFW synthétisés peuvent améliorer considérablement les empreintes vibratoires moléculaires du SEIRA à base de graphène. Ils appliquent avec succès des CFW synthétisés pour améliorer les signaux moléculaires dans le spectre d'extinction infrarouge moyen pour les biomolécules dans différentes conditions, notamment la mesure directe de plusieurs modes de vibration des molécules de désoxynivalénol (DON) et le SEIRA à base de graphène de protéines en phase solide et en solution aqueuse. .
Cette nouvelle approche de SEIRA utilisant des CFW synthétisés est hautement évolutive pour diverses technologies SEIRA et peut généralement augmenter la sensibilité de détection des technologies SEIRA traditionnelles. Il pourrait être utilisé pour développer des capteurs ultrasensibles destinés à un large éventail d’applications, telles que le diagnostic précoce des maladies, la médecine personnalisée et la détection rapide d’agents toxiques. Cette approche a le potentiel de révolutionner le domaine de la détection moléculaire, en permettant la détection de molécules traces qui sont actuellement indétectables.
Plus d'informations : Kebo Zeng et al, Excitation synthétisée à fréquence complexe pour la détection moléculaire ultrasensible, eLight (2024). DOI :10.1186/s43593-023-00058-y
Informations sur le journal : eLight
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
