Физики разработали новый тип чувствительных детекторов для анализа химического состава органических молекул. Принцип работы детектора основан на получении спектра поглощения вещества в инфракрасном диапазоне, который с помощью оптических метаповерхностей удается превратить в графический штрих-код. Такой метод позволит упростить цифровой анализ полученного сигнала и повысит чувствительность портативных сенсоров для химического анализа, пишут ученые в статье в Science.

Один из основных методов определения химического состава органических молекул — анализ спектров поглощения в инфракрасной области. Интенсивность и расположение пиков на спектре определяется энергиями колебания различных химических связей, поэтому свидетельствует о наличии в молекулах тех или иных функциональных групп, их количестве и расположении. При этом такой метод довольно прост в реализации, поэтому современные детекторы для получения ИК-спектров уже можно уместить на небольшой чип и их предлагают встраивать в небольшие устройства, например смартфоны. Тем не менее, точность таких миниатюрных спектрометров пока не позволяет использовать их для полноценного анализа лекарств или содержания вредных веществ в пищевых продуктах.

EPFL

Физики из Швейцарии и Австралии под руководством Хатидже Алтуг (Hatice Altug) из Федеральной политехнической школы Лозанны предложили новый тип миниатюрных детекторов, который также основан на возможности поглощения в инфракрасном диапазоне, но работает по принципиально новой схеме по сравнению с классическими спектрометрами. Основу предложенного сенсора составляет массив кремниевых оптических метаповерхностей квадратной формы, каждая из которых состоит из множества эллиптических колонн с размером около полутора микрометров. Каждый из таких квадратиков представляет собой один пиксель изображения и настроен для резонансного отражения электромагнитных волн своей длины — в диапазоне от 4 до 10 микрометров. Настройка частоты происходит за счет изменения угла поворота колонн друг относительно друга.

Принципиальная схема детектора и принцип его работы. Каждый из пикселей настроен на отражение своей длины волны в инфракрасном диапазоне. A. Tittl et al./ Science, 2018

На каждый из этих пикселей могут адсорбироваться молекулы анализируемого химического вещества (например белков), которые поглощают свет в том же диапазоне длин волн за счет колебания химических связей. Поэтому если длина волны, на которой поглощает молекула, совпадает с длиной волны, которую отражает конкретный пиксель детектора, то интенсивность отраженного света уменьшается. Набор интенсивностей отраженного света с каждого пикселя служит таким образом своеобразным штрих-кодом для анализируемой смеси веществ и полностью характеризует ее спектр поглощения в инфракрасной области.

Для экспериментальной проверки предложенного принципа ученые создали детектор, состоящий из массива 480 на 480 пикселей, которые отражали свет в диапазоне от 1350 до 1770 обратных сантиметров. На поверхность детектора был адсорбирован рекомбинантный белок A/G, после чего с помощью описанной методики ученые получили спектр его отражения в ИК-диапазоне в графическом «попиксельном» виде. Анализ такого спектра, например, показал наличие в молекуле двух типов амидных групп.

Пример спектра поглощения белка в ИК-диапазоне с двумя типами амидных групп, полученного с помощью предложенного чипа из метаповерхностей. A. Tittl et al./ Science, 2018

Авторы работы отмечают, что предложенная схема позволяет упростить метод цифровой обработки сигнала. В частности, для анализа сложных смесей с возможным химическим взаимодействием между компонентами ученые предлагают использовать методы анализа изображений с помощью нейросетей. Кроме того, разработанный метод обладает значительно большей чувствительностью по сравнению с традиционными спектрометрами, которая может быть дополнительно увеличена за счет изменения угла ориентации колонн. По словам ученых, такой подход может использоваться для исследования синтетических и биологических полимеров, и, например, вредных веществ в пищевых продуктах.

Использование адсорбированных на поверхность органических молекул нередко становится основой для создания нетрадиционных методов анализа их химического состава. Например, недавно физики предложили использовать в качестве чувствительного химического зонда метод электронной туннельной микроскопии. Анализ компонентов сложных молекул на поверхности исследуемых образцов в предложенном методе проводится по оценке колебательной энергии молекулы угарного газа на кончике сканирующей иголки.

Автор: Александр Дубов