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新型分子識別傳感器系統誕生 破解紅外光譜儀分析難題

類別:新品導讀      出處:微迷網      發布于:2018-06-12 15:35:56 | 3625 次閱讀

導讀: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。

    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,阻礙了紅外光譜技術的一些工業和醫療應用,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。


(網絡配圖)

    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)進行大規模分析和分類。這項研究成果已發表于今年6月出版的Science雜志。
    EPFL開發的這款開創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。
    “非常重要的是,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?!袄?,它可以用于制造便攜式醫療測試設備,為血液樣本中的每種生物標記物都創建條形碼,”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現微量的化合物。


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