طیف سنجی فروسرخ، روشی معیار برای شناسایی و آنالیز ترکیبات ارگانیک است. اما این روش نیازمند روندهای پیچیده و ابزار های بزرگ و گران قیمتی است که کوچک سازی دستگاه را چالش برانگیز کرده و مانع از استفاده آن در برخی کاربست های صنعتی و پزشکی و همچنین در جمع آوری داده در این زمینه برای مثال سنجش غلظت آلاینده ها می شود. به علاوه، این روش اساسا توسط میزان پایین حساسیت محدود شده و نیازمند مقادیر بالای نمونه است. اما حالا، محققین به سیستم جدیدی دست یافته اند که از مشکلات قبلی برخوردار نیست.
دانشمندان در دانشکده مهندسی EPFL در دانشگاه ملی استرالیا (ANU) یک سیستم نانوفوتونیک حساس و فشرده را طراحی کرده اند که می تواند مشخصه های جذب مولکولی را بدون استفاده از طیف سنجی سنتی، شناسایی کند.
سیستم آن ها شامل یک سطح مهندسی شده است که با صدها حسگر ریز به نام متاپیکسل پوشانده شده است که می توانند برای هر مولکولی که با این سطح تماس می یابد، یک بارکد مجزا تولید کنند. این بارکد ها می توانند با استفاده از شناسایی پیچیده الگو و تکنولوژی مرتب سازی مانند شبکه های عصبی مصنوعی، آنالیز و طبقه بندی شوند.
هریک از پیوندهای شیمیایی در مولکول های ارگانیک، جهت و ارتعاش ویژه ای دارند. این یعنی هر مولکولی مجموعه ای از مشخصه های سطوح انرژی دارد که عموما در اواسط طیف مادون قرمز قرار دارند یعنی طول موج بین ۴ تا ۱۰ میکرون. بنابراین، هر نوع مولکولی، نور را با فرکانس متفاوتی جذب می کند و این امر، به هر مولکول یک «امضا»ی منحصر به فرد می دهد.
طیف سنجی مادون قرمز با دیدن این که آیا نمونه، پرتوهای نور را در فرکانس امضای مولکول جذب میکند یا خیر، تعیین می کند که آیا مولکول مورد نظر در نمونه موجود است یا خیر. با این حال، چنین آنالیزهایی نیازمند ابزارهای آزمایشگاهی با ابعاد و هزینه بالا هستند.
حالا این سیستم پیشگام که توسط دانشمندانEPFL ساخته شده است، هم حساسیت بالایی دارد و هم دارای قابلیت کوچک سازی است. این دستگاه از نانوساختارهایی که می توانند نور را در مقیاس نانو گیر بیندازند استفاده کرده و بنابراین در سطحش، سطوح شناسایی بسیار بالایی را برای نمونه فراهم میکند.
هاتیس آلتوگ، رئیس آزمایشگاه سیستم های بیونانوفوتونیک EPFL و کمک نویسنده این پژوهش می گوید: «مولکول هایی که ما می خواهیم شناسایی کنیم در مقیاس نانو هستند، بنابراین پر کردن فضاهای خالی با این اندازه، یک قدم ضروری است.»
نانوساختارهای این سیستم در چیزی به نام متاپیکسل گروه بندی شده اند، به طوری که هر یک از آن ها در فرکانس متفاوتی تشدید شوند. زمانی که یک مولکول با این سطح تماس حاصل می کند، روشی که مولکول نور را جذب می کند، رفتار همه ی متاپیکسل ها را تغییر می دهد.
این امر یک نقشه پیکسلی از جذب نور را می سازد که می تواند به بارکد مولکولی ترجمه شود و همه ی این کارها بدون استفاده از طیف سنج انجام می گیرد.
دانشمندان از این سیستم برای شناسایی پلیمرها، آفت کش ها و ترکیبات ارگانیک استفاده کرده اند. همچنین، این سیستم با تکنولوژی CMOS سازگار است.
نتایج این پژوهش که نقطه عطفی در فیزیک، نانوتکنولوژی و کلان داده است، در نشریه Science منتشر شده است.
✳ مترجم: آزاده داودی
