La espectroscopía infrarroja es el método de referencia para detectar y analizar compuestos orgánicos. Pero requiere procedimientos complicados e instrumentos grandes y costosos, lo que dificulta la miniaturización del dispositivo y dificulta su uso para algunas aplicaciones industriales y médicas y para la recolección de datos en el campo, comoen cuanto a la medición de las concentraciones de contaminantes. Además, está fundamentalmente limitado por bajas sensibilidades y, por lo tanto, requiere grandes cantidades de muestra.
Sin embargo, los científicos de la Escuela de Ingeniería de EPFL y de la Universidad Nacional de Australia ANU han desarrollado un sistema nanofotónico compacto y sensible que puede identificar las características de absorción de una molécula sin utilizar la espectrometría convencional.
Su sistema consiste en una superficie diseñada cubierta con cientos de pequeños sensores llamados metapíxeles, que pueden generar un código de barras distinto para cada molécula con la que la superficie entra en contacto. Estos códigos de barras pueden analizarse y clasificarse de forma masiva utilizando el reconocimiento de patrones avanzado yLa tecnología de clasificación, como las redes neuronales artificiales. Esta investigación, que se encuentra en la encrucijada de la física, la nanotecnología y los grandes datos, ha sido publicada en ciencia .
Traducción de moléculas en códigos de barras
Los enlaces químicos en las moléculas orgánicas tienen una orientación específica y un modo vibratorio. Eso significa que cada molécula tiene un conjunto de niveles de energía característicos, que comúnmente se encuentran en el rango infrarrojo medio, correspondiente a longitudes de onda de alrededor de 4 a 10 micrasPor lo tanto, cada tipo de molécula absorbe luz a diferentes frecuencias, dándole a cada una una "firma" única. La espectroscopía infrarroja detecta si una molécula determinada está presente en una muestra al ver si la muestra absorbe rayos de luz en las frecuencias de firma de la molécula.dichos análisis requieren instrumentos de laboratorio con un tamaño considerable y una etiqueta de precio.
El sistema pionero desarrollado por los científicos de EPFL es altamente sensible y capaz de ser miniaturizado; utiliza nanoestructuras que pueden atrapar la luz en la nanoescala y, por lo tanto, proporcionan niveles de detección muy altos para las muestras en la superficie ". Las moléculas que queremos detectarson nanométricos en escala, por lo que cerrar esta brecha de tamaño es un paso esencial ", dice Hatice Altug, jefe del Laboratorio de Sistemas BioNanoPhotonic de EPFL y coautor del estudio.
Las nanoestructuras del sistema se agrupan en lo que se llaman metapíxeles para que cada uno resuene a una frecuencia diferente. Cuando una molécula entra en contacto con la superficie, la forma en que la molécula absorbe la luz cambia el comportamiento de todos los metapíxeles que toca.
"Es importante destacar que los metapíxeles están dispuestos de tal manera que las diferentes frecuencias vibratorias se asignan a diferentes áreas de la superficie", dice Andreas Tittl, autor principal del estudio.
Esto crea un mapa pixelado de absorción de luz que se puede traducir a un código de barras moleculares, todo sin usar un espectrómetro.
Los científicos ya han usado su sistema para detectar polímeros, pesticidas y compuestos orgánicos. Además, su sistema es compatible con la tecnología CMOS.
"Gracias a las propiedades ópticas únicas de nuestros sensores, podemos generar códigos de barras incluso con fuentes de luz y detectores de banda ancha", dice Aleksandrs Leitis, coautor del estudio.
Hay varias aplicaciones potenciales para este nuevo sistema. "Por ejemplo, podría usarse para hacer dispositivos portátiles de pruebas médicas que generen códigos de barras para cada uno de los biomarcadores encontrados en una muestra de sangre", dice Dragomir Neshev, otro coautorde El estudio.
La inteligencia artificial podría usarse junto con esta nueva tecnología para crear y procesar una biblioteca completa de códigos de barras moleculares para compuestos que van desde proteínas y ADN hasta pesticidas y polímeros. Eso les daría a los investigadores una nueva herramienta para detectar cantidades minúsculas de forma rápida y precisade compuestos presentes en muestras complejas.
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Materiales proporcionado por Escuela Politécnica Federal de Lausana . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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