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Los sensores son herramientas importantes para detectar y analizar trazas de moléculas en una variedad de aplicaciones, incluida la monitorización ambiental, la seguridad alimentaria y la salud pública. Sin embargo, sigue siendo difícil encontrar sensores lo suficientemente sensibles como para detectar estas pequeñas concentraciones de moléculas.
La absorción infrarroja mejorada en superficie (SEIRA) es una técnica prometedora que mejora las señales infrarrojas de moléculas adsorbidas en nanoestructuras plasmónicas. La excelente sensibilidad y sintonizabilidad del grafeno lo convierten en un material particularmente adecuado para SEIRA. Sin embargo, la amortiguación molecular intrínseca reduce la fuerza de la interacción grafeno-molécula.
En un estudio reciente publicado en eLightCientíficos de varias universidades presentaron una novedosa estrategia para aumentar la sensibilidad de SEIRA. Este método utiliza ondas de frecuencia complejas (CFW) artificiales para amplificar las señales químicas detectadas por sensores basados en grafeno al menos 10 veces. Esto también se aplica a diferentes niveles de detección molecular.
Inicialmente se utilizaron películas delgadas hechas de Ag y Au para representar a SEIRA. Sin embargo, los avances en la nanofabricación y la creación de nuevos materiales plasmónicos han hecho posibles nanoestructuras plasmónicas con capacidades mucho mayores para la amplificación de señales de biomoléculas.
Debido al fuerte confinamiento del campo permitido por los estados de fermiones electrónicos bidimensionales (2D) de Dirac, SEIRA basada en grafeno puede funcionar muy bien en la caracterización molecular para la detección de fases gaseosas y sólidas en comparación con SEIRA basada en metal. En una solución acuosa, el grafeno también puede mejorar la absorción molecular del infrarrojo.
Los plasmones de grafeno se caracterizan por su sintonizabilidad activa, que cambia el nivel de dopaje a través del voltaje de la puerta, ampliando así el rango de frecuencia de detección para diferentes modos de vibración molecular. Debido a estas ventajas, SEIRA basada en grafeno es una plataforma dedicada para la detección de monocapas moleculares.
Por otro lado, la interacción entre los plasmones y los modos vibratorios se reduce significativamente debido a la amortiguación molecular inherente. En consecuencia, los espectros de señales químicas potenciadas por plasmones se vuelven muy amplios y débiles en concentraciones muy bajas y eventualmente quedan oscurecidos por el ruido.
Agregar materiales de ganancia óptica es una forma de mitigar los efectos de la atenuación molecular. Sin embargo, esto requiere una configuración sofisticada que puede no funcionar con el sistema de detección. Los materiales de refuerzo también suelen aumentar el ruido y la inestabilidad.
Otra opción es utilizar ondas de frecuencia complejas (CFW). Los estudios teóricos han demostrado que la atenuación temporal del CFW puede restaurar la información perdida debido a la pérdida de material. Sin embargo, el problema de generar CFW en sistemas ópticos prácticos sigue siendo difícil.
Los investigadores proponen una técnica novedosa para fusionar múltiples ondas de frecuencia real para generar CFW. La resolución espacial de las superlentes se ha incrementado efectivamente mediante el uso de esta técnica.
Los científicos muestran que agregar CFW sintéticos a SEIRA basado en grafeno puede mejorar significativamente las firmas de vibración molecular. Aplicando CFW sintetizados a biomoléculas en diversas condiciones, tales como: Como la medición directa de múltiples modos vibratorios de moléculas de deoxinivalenol (DON) y SEIRA de proteínas a base de grafeno tanto en fase sólida como en solución acuosa, mejoran con éxito las señales moleculares en el espectro de extinción del IR medio.
Este novedoso método SEIRA que utiliza CFW sintetizados normalmente podría aumentar la sensibilidad de detección de las tecnologías SEIRA convencionales y es altamente escalable a otras tecnologías SEIRA.
Podría utilizarse para desarrollar sensores altamente sensibles para una variedad de aplicaciones, incluida la detección rápida de toxinas, tratamientos personalizados y diagnóstico temprano de enfermedades. Con la capacidad de identificar trazas de moléculas que ahora son invisibles, este método tiene el potencial de cambiar completamente el campo de la detección molecular.
Referencia de la revista:
Zeng, K., et. Alabama. (2023) Excitación de frecuencia compleja sintetizada para detección molecular ultrasensible. eLight. doi:10.1186/s43593-023-00058-y.
Fuente: http://english.ciomp.cas.cn/
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