Нанофотонная система переводит молекулы в штрих-коды

Ученые EPFL разработали уникальную систему, которая может быть использована для обнаружения и анализа молекул с очень высоким уровнем точности и без использования громоздкого оборудования. Эта новейшая разработка открывает путь для крупномасштабного обнаружения на основе изображений материалов, которым помогает искусственный интеллект. Исследование было опубликовано в Science.

© 2018 EPFL

Органические соединения обычно детектируются и анализируются с помощью инфракрасной спектроскопии, но этот метод требует сложных процедур, а также огромных и дорогостоящих инструментов, которые затрудняют миниатюризацию устройства и, таким образом, ограничивают его применение в определенных медицинских и промышленных приложениях и для сбора данных в поле, например, для определения концентраций загрязняющих веществ. Инфракрасная спектроскопия также существенно ограничена низкой чувствительностью и, следовательно, требует большого количества образцов.

Напротив, исследовательская группа из Инженерной школы EPFL и Австралийского национального университета (ANU) разработала чувствительную и компактную нанофотонную систему, которая способна идентифицировать абсорбционные характеристики молекулы без использования традиционной спектрометрии. Исследователи уже обнаружили органические соединения, полимеры и пестициды с их системой, которые также могут использоваться с технологией CMOS.

Новая система отличается спроектированной поверхностью, которая окружена множеством очень маленьких датчиков, известных как метапиксели. Эти метапиксели могут создавать уникальный штрих-код для каждой молекулы, с которой поверхность контактирует, и используя расширенную технологию распознавания образов и сортировки (например, искусственные нейронные сети), этот штрих-код может быть подвергнут всестороннему анализу. Это исследование, которое оказалось местом встречи нанотехнологий, физики и больших данных, было опубликовано в журнале Science .

Перевод молекул в штрих-коды

Каждая химическая связь в органических молекулах имеет уникальную ориентацию и вибрационный режим, которые влияют на то, как молекулы поглощают свет, обеспечивая уникальную «подпись» каждой молекуле. Инфракрасная спектроскопия определяет, существует ли данная молекула в образце, наблюдая, если световые лучи поглощаются образцом на частотах сигнатуры молекулы. Однако для таких анализов требуются огромные лабораторные инструменты, которые довольно дороги.

Инновационная система, созданная исследователями EPFL, не только более чувствительна, но также может быть миниатюризирована; наноструктуры с возможностью захвата света на наномасштабе используются в системе, что обеспечивает чрезвычайно высокие уровни обнаружения образцов на поверхности. « Молекулы, которые мы хотим обнаружить, нанометровые по масштабу, поэтому преодоление этого разрыва в размерах является важным шагом », – заявил Хатис Алтуг, один из соавторов исследования и руководитель лаборатории бионанофотонных систем EPFL.

]

. Наноструктуры в системе классифицируются как так называемые метапиксели, так что каждый из них резонирует на особой частоте. Если молекула контактирует с поверхностью, поглощение света, характерное для молекулы, изменяет поведение всех метапикселей, к которым она прикасается.

« Важно отметить, что метапиксели устроены таким образом, что различные колебательные частоты отображаются на разные области на поверхности – заявил Андреас Титтл, ведущий автор исследования.

Это приводит к созданию пиксельной карты поглощения света, которая может быть преобразована в молекулярный штрих-код – полностью без использования спектрометра.

« Благодаря уникальным оптическим свойствам сенсоров мы можем создавать штрих-коды даже с широкополосными источниками света и детекторами», – заявил Александр Лейтис, соавтор исследования.

Эта инновационная система может использоваться для различных потенциальных применений. « Например, его можно использовать для создания переносных медицинских испытательных устройств, которые генерируют штрих-коды для каждого из биомаркеров, обнаруженных в образце крови », – заявил Драгомир Нешев, еще один соавтор исследования.

Искусственный интеллект можно сочетать с этой инновационной технологией для создания и обработки целого архива молекулярных штриховых кодов для соединений, таких как ДНК и белок, к полимерам и пестицидам. Следовательно, у исследователей будет новый инструмент для точного и быстрого обнаружения тривиальных количеств соединений, содержащихся в сложных образцах.

Source link