據(jù)麥姆斯咨詢介紹，紅外光譜學(xué)是檢測(cè)和分析有機(jī)化合物的一種基準(zhǔn)方法。但是它需要復(fù)雜的操作過(guò)程和大型、昂貴的儀器設(shè)備，因此設(shè)備的微型化充滿挑戰(zhàn)，阻礙了紅外光譜技術(shù)的一些工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用，以及戶外現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)收集，例如污染物濃度的測(cè)量等。此外，其相對(duì)較低的靈敏度要求較大的樣本量，因而也從根本上限制了其廣泛應(yīng)用。

為此，EPFL（瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院）工程學(xué)院（瑞士洛桑）和Australian National University（ANU，澳大利亞國(guó)立大學(xué)）的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一款緊湊型、高靈敏度納米光子傳感器系統(tǒng)，無(wú)需使用傳統(tǒng)的光譜學(xué)技術(shù)便能識(shí)別分子的特征吸收。他們已經(jīng)將該系統(tǒng)用于聚合物、農(nóng)藥和有機(jī)化合物的探測(cè)。更為重要的是，這項(xiàng)技術(shù)還與CMOS技術(shù)兼容。

將分子的特征吸收轉(zhuǎn)譯為“條形碼”

有機(jī)物分子中的化學(xué)鍵都有其特定的方向和振動(dòng)模式，這影響了分子對(duì)光的吸收，使每個(gè)分子都有其獨(dú)一無(wú)二的“指紋吸收”。紅外光譜學(xué)通過(guò)檢測(cè)樣本是否吸收分子的指紋特征頻率，來(lái)探測(cè)樣本中是否含有給定分子。然而，這種分析需要尺寸龐大、價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)室儀器。

EPFL科學(xué)家開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)包含一種工程化的表面，覆蓋有數(shù)百個(gè)被稱為Metapixels（超像素）的微型傳感器系統(tǒng)，可以為表面接觸的每個(gè)分子生成不同的“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)（如人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行大規(guī)模分析和分類。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于今年6月出版的Science雜志。

EPFL開(kāi)發(fā)的這款開(kāi)創(chuàng)性傳感器系統(tǒng)不僅靈敏度高，且能夠?qū)崿F(xiàn)微型化；它采用了能夠在納米尺度捕捉光的納米結(jié)構(gòu)，因而對(duì)系統(tǒng)表面上的樣品具有極高的靈敏度。“我們想要探測(cè)的分子是納米級(jí)的，因此橋接這一尺寸鴻溝是必不可少的一步，” EPFL生物納米光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人及本研究聯(lián)合作者Hatice Altug說(shuō)。

該系統(tǒng)表面的納米結(jié)構(gòu)被分為數(shù)百個(gè)超像素組，每個(gè)超像素都以不同的頻率共振。當(dāng)一個(gè)分子與系統(tǒng)表面接觸時(shí)，該分子對(duì)光的特征吸收，會(huì)改變它接觸的所有超像素的振動(dòng)。

“非常重要的是，這些超像素的排列方式，可使不同的振動(dòng)頻率映射于系統(tǒng)表面的不同區(qū)域，”本研究聯(lián)合作者Andreas Tittl介紹說(shuō)。這便獲得了一種像素化的光吸收?qǐng)D，可以轉(zhuǎn)譯為分子條形碼。整個(gè)過(guò)程都不需要使用光譜分析儀。

這款新系統(tǒng)的潛在應(yīng)用很廣。“例如，它可以用于制造便攜式醫(yī)療測(cè)試設(shè)備，為血液樣本中的每種生物標(biāo)記物都創(chuàng)建條形碼，”本研究聯(lián)合作者Dragomir Neshev說(shuō)。

這項(xiàng)技術(shù)還可以和人工智能結(jié)合，為從蛋白質(zhì)和DNA到農(nóng)藥和聚合物的各種化合物，創(chuàng)建并處理分子條形碼庫(kù)，為科研人員提供一種新的工具，快速、精確地從復(fù)雜樣本中發(fā)現(xiàn)微量的化合物。