研究人员揭开了一种高度敏感的探测器的神秘面纱，这种探测器能够通过分析分子的红外振动“指纹”来识别分子。这一突破性设备通过在其活跃区域内将入射红外光转化为超限制的“纳米光”，通过声子极化子显著提高了探测器的灵敏度，同时放大了放置在其表面的纳米级薄分子层的振动信号。这些放大的分子指纹可以被更精确地检测和分析。探测器的紧凑设计和在室温下运行的能力为开发各种应用中的超紧凑型分子和气体传感平台打开了大门。
分子拥有独特的“指纹”，可以用来区分它们。当暴露于特定类型的光时，每个分子都会以特征频率——即其共振频率——振动，通常在红外光谱内，并且具有特定的强度。就像人类的指纹用于识别个体一样，这些分子指纹可以被利用来区分不同类型的分子或气体。这种能力不仅对科学分析至关重要，还具有实际应用，比如识别有害或有毒物质。
一种传统方法是红外指纹光谱学，它使用红外反射或透射光谱来识别不同的分子。然而，有机分子的大小与红外波长相比很小，导致散射信号弱，使得检测少量物质变得具有挑战性。
近年来，这种限制通过表面增强红外吸收（SEIRA）光谱学得到了解决。SEIRA光谱学利用粗糙金属表面或金属纳米结构提供的红外近场增强来放大分子振动信号。SEIRA光谱学的主要优势是其能够测量和研究微量材料。
最近，声子极化子——电磁波与原子晶格振动的耦合激发——特别是六方氮化硼（h-BN）薄层中的双曲声子极化子，已成为提升SEIRA光谱学灵敏度的有希望的候选者。
“之前，我们已经展示了声子极化子可以应用于纳米级薄分子层的SEIRA光谱学和气体传感，这得益于它们的长寿命和超高场限制，”CIC nanoGUNE的Rainer Hillenbrand教授说。
然而，SEIRA光谱学仍然是一种远场技术，需要笨重的设备，如光源、SEIRA基底，通常还需要氮气冷却的红外探测器。这种对大型仪器的依赖限制了其微型化和芯片上应用的潜力。
“我们一直在研究基于石墨烯的红外探测器，它们可以在室温下运行，并且我们已经展示了声子极化子可以被电检测，并且可以增强探测器的灵敏度，”ICFO的Frank Koppens教授补充道。
通过结合这两方面的进展，一个研究团队现在已经成功演示了首次在芯片上基于声子的SEIRA检测分子振动。这一成果是通过Nanogune和ICFO研究人员的联合实验努力，以及Donostia国际物理中心的Dr. Alexey Nikitin和Aragon纳米科学与材料研究所（CSIC- Universidad de Zaragoza）的Luis Martín-Moreno教授的理论支持实现的。
研究人员利用超限制的HPPhPs直接在基于石墨烯的探测器的光电流中检测纳米级薄分子层的分子指纹，消除了对传统笨重红外探测器的需求。
“这种方法最令人兴奋的方面之一是，这种基于石墨烯的探测器为微型化铺平了道路，”ICFO研究员Dr. Sebastián Castilla评论道。他继续说，“通过将这种探测器与微流体通道集成，我们可以创建一个真正的‘芯片上的实验室’，能够识别小液体样本中的特定分子——为医学诊断和环境监测铺平了道路。”
从长远来看，nanoGUNE研究员和该研究的第一作者，Dr. Andrei Bylinkin认为，“在室温下运行的芯片上红外探测器可以实现快速分子识别，可能集成到智能手机或可穿戴电子设备中。”他进一步认为，“这将为紧凑型、敏感的、室温红外光谱学提供一个平台。”
参考资料：DOI： 10.1038/s41467-024-53182-9