紅外光譜是檢測(cè)和分析有機(jī)化合物的基準(zhǔn)方法。但它需要復(fù)雜的程序和大而昂貴的儀器，使得設(shè)備小型化具有挑戰(zhàn)性并且阻礙其用于一些工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用以及用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集，例如用于測(cè)量污染物濃度。此外，它基本上受到低靈敏度的限制，因此需要大量樣品。

然而，EPFL工程學(xué)院和澳大利亞國(guó)立大學(xué)(ANU)的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種緊湊而靈敏的納米光子系統(tǒng)，可以在不使用傳統(tǒng)光譜測(cè)定法的情況下識(shí)別分子的吸收特性。

他們的系統(tǒng)由一個(gè)工程表面組成，表面覆蓋著數(shù)百個(gè)稱為元像素的微小傳感器，可以為表面接觸的每個(gè)分子生成獨(dú)特的條形碼。這些條形碼可以使用先進(jìn)的模式識(shí)別和分類技術(shù)(例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行大量分析和分類。這項(xiàng)研究 - 位于物理學(xué)，納米技術(shù)和大數(shù)據(jù)的十字路口 - 已發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上。

將分子轉(zhuǎn)換成條形碼

有機(jī)分子中的化學(xué)鍵各自具有特定的取向和振動(dòng)模式。這意味著每個(gè)分子都具有一組特征能級(jí)，這些能級(jí)通常位于中紅外范圍內(nèi) - 對(duì)應(yīng)于約4至10微米的波長(zhǎng)。因此，每種類型的分子吸收不同頻率的光，給每一種分子帶來(lái)獨(dú)特的“特征”。紅外光譜通過(guò)觀察樣品是否以分子的特征頻率吸收光線來(lái)檢測(cè)樣品中是否存在給定分子。然而，這種分析需要具有大尺寸和價(jià)格標(biāo)簽的實(shí)驗(yàn)室儀器。

由EPFL科學(xué)家開發(fā)的先驅(qū)系統(tǒng)既高度敏感又能夠小型化; 它使用納米結(jié)構(gòu)，可以捕獲納米級(jí)的光，從而為表面上的樣品提供非常高的檢測(cè)水平。“我們想要檢測(cè)的分子是納米級(jí)的，因此彌合這個(gè)大小差距是必不可少的一步，”EPFL BioNano光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，該研究的合著者Hatice Altug說(shuō)。

系統(tǒng)的納米結(jié)構(gòu)被分組為所謂的元像素，以便每個(gè)元素以不同的頻率共振。當(dāng)分子與表面接觸時(shí)，分子吸收光的方式改變了它接觸的所有元像素的行為。

“重要的是，元像素的排列方式使不同的振動(dòng)頻率映射到表面的不同區(qū)域，”該研究的第一作者Andreas Tittl說(shuō)。

這樣可以創(chuàng)建一個(gè)像素化的光吸收?qǐng)D，可以轉(zhuǎn)換成分子條形碼 - 所有這些都不需要使用光譜儀。

科學(xué)家已經(jīng)使用他們的系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)聚合物，農(nóng)藥和有機(jī)化合物。更重要的是，他們的系統(tǒng)與CMOS技術(shù)兼容。

“由于我們的傳感器具有獨(dú)特的光學(xué)特性，我們甚至可以使用寬帶光源和探測(cè)器生成條形碼，”該研究的合著者Aleksandrs Leitis說(shuō)。

這個(gè)新系統(tǒng)有許多潛在的應(yīng)用。“例如，它可用于制造便攜式醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備，為血液樣本中的每種生物標(biāo)記生成條形碼，”該研究的另一位合著者Dragomir Neshev說(shuō)。

人工智能可以與這項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合使用，創(chuàng)建和處理整個(gè)分子條形碼庫(kù)，用于從蛋白質(zhì)和DNA到農(nóng)藥和聚合物的化合物。這將為研究人員提供一種新工具，用于快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)復(fù)雜樣品中存在的微量化合物。