MADRID, 16 Jul. (EUROPA PRESS) -
Expertos en nanofotónica de la Universidad Rice han creado un exclusivo sensor que amplifica la firma óptica de las moléculas por cerca de 100 mil millones de veces. El dispositivo podría identificar con precisión la composición y estructura de las moléculas individuales que contienen menos de 20 átomos.
El nuevo método de imagen, que se describe en Nature Communications, utiliza una forma de espectroscopia Raman en combinación con un amplificador óptico intrincado pero de masa reproducible. Los investigadores en el Laboratorio para Nanofotónica de Rice (LANP) dijeron que el sensor de una sola molécula es aproximadamente 10 veces más potente que los dispositivos conocidos.
"Nuestra investigación y la de otros grupos durante varios años ha sido el diseño de sensores de una sola molécula, pero este nuevo enfoque ofrece ventajas con respecto a cualquier conocido anteriormente," dijo la directora del LANP Naomi Halas, científico principal del estudio. "El sensor ideal de una sola molécula sería capaz de identificar una molécula desconocida, incluso una muy pequeña, sin ninguna información previa sobre la estructura o la composición de esa molécula. Eso no es posible con la tecnología actual, pero esta nueva técnica tiene ese potencial".
El sensor óptico utiliza la espectroscopia Raman, una técnica iniciada en la década de 1930 que floreció después de la llegada del láser en la década de 1960. Cuando la luz incide sobre una molécula, la mayor parte de sus fotones rebotan o pasan directamente a través de una pequeña fracción - menos de uno en un millón de millones - y se absorben y reemiten en otro nivel de energía que se diferencia de su nivel inicial. Mediante la medición y el análisis de estos fotones re-emitidos a través de la espectroscopia Raman, los científicos pueden descifrar los tipos de átomos en una molécula, así como su disposición estructural.
Los científicos han creado una serie de técnicas para impulsar las señales Raman. En el nuevo estudio, el estudiante graduado de LANP Yu Zhang utiliza una técnica con dos láser coherentes llamada 'espectroscopia Raman coherente anti-Stokes' o CARS. Mediante el uso de CARS en conjunto con un amplificador de luz formado por cuatro pequeños nanodiscos de oro, Halas y Zhang fueron capaces de medir las moléculas individuales de una manera nueva y poderosa. LANP ha denominado a la nueva técnica 'CARS mejorado de superficie' o SECARS.
"La configuración de dos láser coherentes en SECARS es importante porque el segundo láser proporciona una amplificación adicional," dijo Zhang. "En una configuración de láser único convencional, los fotones pasan a través de dos pasos de absorción y re-emisión, y las firmas ópticas se amplificaron por lo general alrededor de 100.000.000-10000000000 veces. Mediante la adición de un segundo láser que es coherente con el primero, la técnica SECARS emplea un proceso multifotón más complejo".
Otro componente clave del proceso SECARS es el amplificador óptico del dispositivo, que contiene cuatro discos de oro diminutos en una disposición en forma de diamante. La brecha en el centro de los cuatro discos es de unos 15 nanómetros de ancho. Debido a un efecto óptico llamado un "resonancia de Fano," las firmas ópticas de moléculas atrapadas en esa brecha se amplificaron dramáticamente debido a la recolección de luz eficaz y la señal de propiedades de dispersión de la estructura de cuatro discos.
Las aplicaciones potenciales para SECARS incluyen los sensores químicos y biológicos, así como la investigación en metamateriales.
"La amplificación es importante para la detección de moléculas pequeñas debido a que cuanto más pequeña es la molécula, más débil es la firma óptica," dijo Halas. "Este método de amplificación es el más potente demostrado, y podría ser útil en experimentos en los que las técnicas existentes no pueden proporcionar datos fiables."
