Способность обнаруживать крошечные количества молекул важна для химического зондирования, а также для биологической и медицинской диагностики. В частности, некоторые из наиболее сложных и продвинутых приложений связаны с редкими соединениями, для которых одновременно может присутствовать только несколько молекул.
Наиболее многообещающими устройствами для достижения сверхвысокой точности обнаружения являются датчики нанометрового размера, в которых молекулы помещаются в крошечные промежутки между небольшими золотыми пластинами. Но этот метод эффективен только в том случае, если молекулы точно расположены внутри промежутков.
Теперь Цзинхуа Тэн из Института исследований и инженерии материалов A * STAR, Сингапур, и его коллеги из Национального университета Сингапура разработали датчик, в котором молекулы эффективно направляются и размещаются в нужном месте.Электронные резонансы, возникающие в золотых наноструктурах, похожи на очень мощные антенны, способные усиливать излучение небольших молекул, находящихся поблизости.
Это позволяет обнаруживать даже отдельные молекулы. Однако для того, чтобы сигнал принимался антеннами, молекулы должны быть точно расположены внутри электромагнитных «горячих точек» (см. Изображение). «Мы подошли к этой задаче и разработали метод избирательного связывания молекул с горячими электромагнитными точками в структуре наноантенны для достижения максимального эффекта», — объясняет Тенг.
Исследователям нужно было подготовить поверхность устройства так, чтобы молекулы связывались только с желаемыми участками между золотыми пластинами, а не на них. Они достигли этого, нанеся тонкую пленку титана между золотыми пластинами. Титан окисляется на воздухе, образуя стабильный диоксид титана, который обладает изоляционными свойствами и по своим свойствам сильно отличается от золотых пластин. Затем исследователи покрыли поверхность различными органическими растворами, которые избирательно препятствуют связыванию белков и других молекул с золотом, одновременно привлекая интересующие молекулы к титановой подушке.
В начальных тестах сигналы от молекул, прикрепленных к титану в горячей точке, показали в шесть раз более высокую чувствительность, чем сигналы, случайно прикрепленные к устройству.Следующим шагом будет повышение чувствительности сенсора до предела, объясняет Тенг. «Люди мечтали о распознавании одиночных молекул и работали над ними. Эта работа является частью этих усилий.
Она обеспечивает способ избирательного связывания биомолекул с горячими точками и доказывает, что это может повысить молекулярную чувствительность и уменьшить количество требуемого образца. . " Однако потребуются дальнейшие улучшения в конструкции устройства, добавляет Тенг. «Двигаясь вперед, мы хотели бы еще больше повысить чувствительность за счет оптимизации структуры и попробовать мультиагентное зондирование в одном чипе».