新型傳感器系統無需紅外光譜儀便能識別分子

瑞士聯邦理工學院研發(fā)的新型傳感器系統無需紅外光譜儀便能高精度地探測和分析分子，再借助人工智能（AI），為基于成像的大規(guī)模材料分析開辟了道路據麥姆斯咨詢介紹，紅外光譜學是檢測和分析有機化合物的一種基準方法。但是它需要復雜的操作過程和大型、昂貴的儀器設備，因此設備的微型化充滿挑戰(zhàn)，阻礙了紅外光譜技術的一些工業(yè)和醫(yī)療應用，以及戶外現場的數據收集，例如污染物濃度的測量等。

此外，其相對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用。為此，EPFL（瑞士聯邦理工學院）工程學院（瑞士洛桑）和Australian National University（ANU，澳大利亞國立大學）的科學家們開發(fā)了一款緊湊型、高靈敏度納米光子傳感器系統，無需使用傳統的光譜學技術便能識別分子的特征吸收。他們已經將該系統用于聚合物、農藥和有機化合物的探測。更為重要的是，這項技術還與CMOS技術兼容。

將分子的特征吸收轉譯為“條形碼”有機物分子中的化學鍵都有其特定的方向和振動模式，這影響了分子對光的吸收，使每個分子都有其獨一無二的“指紋吸收”。紅外光譜學通過檢測樣本是否吸收分子的指紋特征頻率，來探測樣本中是否含有給定分子。然而，這種分析需要尺寸龐大、價格昂貴的實驗室儀器。EPFL科學家開發(fā)的系統包含一種工程化的表面，覆蓋有數百個被稱為Metapixels（超像素）的微型傳感器系統，可以為表面接觸的每個分子生成不同的“條形碼”。

這些條形碼可以使用先進的模式識別和分類技術（如人工智能神經網絡）進行大規(guī)模分析和分類。這項研究成果已發(fā)表于今年6月出版的Science雜志。EPFL開發(fā)的這款開創(chuàng)性傳感器系統不僅靈敏度高，且能夠實現微型化；它采用了能夠在納米尺度捕捉光的納米結構，因而對系統表面上的樣品具有極高的靈敏度?！拔覀兿胍綔y的分子是納米級的，因此橋接這一尺寸鴻溝是必不可少的一步，” EPFL生物納米光子系統實驗室負責人及本研究聯合作者Hatice Altug說。該系統表面的納米結構被分為數百個超像素組，每個超像素都以不同的頻率共振。

當一個分子與系統表面接觸時，該分子對光的特征吸收，會改變它接觸的所有超像素的振動?！胺浅Ｖ匾氖?，這些超像素的排列方式，可使不同的振動頻率映射于系統表面的不同區(qū)域，”本研究聯合作者Andreas Tittl介紹說。這便獲得了一種像素化的光吸收圖，可以轉譯為分子條形碼。整個過程都不需要使用光譜分析儀。這款新系統的潛在應用很廣。“例如，它可以用于制造便攜式醫(yī)療測試設備，為血液樣本中的每種生物標記物都創(chuàng)建條形碼，”本研究聯合作者Dragomir Neshev說。

這項技術還可以和人工智能結合，為從蛋白質和DNA到農藥和聚合物的各種化合物，創(chuàng)建并處理分子條形碼庫，為科研人員提供一種新的工具，快速、精確地從復雜樣本中發(fā)現微量的化合物。