Ein Nanotechnologie-Sensor wandelt molekulare Fingerabdrücke in Strichcodes um

Ein neues System, das an der EPFL entwickelt wurde, kann Moleküle mit sehr hoher Präzision und ohne sperrige Geräte detektieren und analysieren. Es öffnet die Tür zur großflächigen, bildbasierten Erkennung von Materialien, die durch künstliche Intelligenz unterstützt werden. Die Forschung wurde in Science veröffentlicht.

Infrarot-Spektroskopie ist die Benchmark-Methode zum Nachweis und zur Analyse organischer Verbindungen. Aber es erfordert komplizierte Verfahren und große, teure Instrumente, was die Miniaturisierung von Geräten für einige industrielle und medizinische Anwendungen und für die Datenerfassung vor Ort, wie beispielsweise zur Messung von Schadstoffkonzentrationen, schwierig und hinderlich macht. Darüber hinaus ist es grundsätzlich durch geringe Empfindlichkeiten begrenzt und erfordert daher große Probenmengen.

Wissenschaftler der EPFL School of Engineering und der Australian National University (ANU) haben jedoch ein kompaktes und empfindliches nanophotones System entwickelt, das die Absorptionseigenschaften eines Moleküls ohne Verwendung konventioneller Spektrometrie identifizieren kann. Die Wissenschaftler haben bereits mit ihrem System Polymere, Pestizide und organische Verbindungen nachgewiesen. Außerdem ist es mit der CMOS-Technologie kompatibel.

Ihr System besteht aus einer künstlichen Oberfläche, die mit Hunderten von winzigen Sensoren bedeckt ist, den sogenannten Metapixeln, die für jedes Molekül, mit dem die Oberfläche in Kontakt kommt, einen eindeutigen Barcode erzeugen können. Diese Barcodes können unter Verwendung einer fortschrittlichen Mustererkennungs- und Sortiertechnologie wie etwa künstlichen neuronalen Netzen massiv analysiert und klassifiziert werden. Diese Forschung, die an der Schnittstelle von Physik, Nanotechnologie und Big Data angesiedelt ist, wurde in Science veröffentlicht.

Überführung von Molekülen in Barcodes
Die chemischen Bindungen in organischen Molekülen haben jeweils eine spezifische Orientierung und Schwingungsform. Es beeinflusst die Art und Weise, wie Moleküle Licht absorbieren, und verleiht jedem eine einzigartige "Signatur". Die Infrarotspektroskopie erkennt, ob ein bestimmtes Molekül in einer Probe vorhanden ist, indem es erkennt, ob die Probe Lichtstrahlen an den charakteristischen Frequenzen des Moleküls absorbiert. Solche Analysen erfordern jedoch Laborgeräte mit einer großen Größe und einem hohen Preis.
 und ein Mitautor der Studie.

Die Nanostrukturen des Systems sind zu so genannten Metapixeln gruppiert, so dass jedes auf einer anderen Frequenz schwingt. Wenn ein Molekül in Kontakt mit der Oberfläche kommt, verändert die Art, wie das Molekül Licht absorbiert, das Verhalten aller Metapixel, die es berührt.

"Wichtig ist, dass die Metapixel so angeordnet sind, dass verschiedene Schwingungsfrequenzen auf verschiedene Oberflächenbereiche abgebildet werden", sagt Andreas Tittl, Erstautor der Studie.

Dadurch entsteht eine pixelierte Karte der Lichtabsorption, die ohne Verwendung eines Spektrometers in einen molekularen Strichcode übersetzt werden kann.

"Dank der einzigartigen optischen Eigenschaften unserer Sensoren können wir auch mit breitbandigen Lichtquellen und Detektoren Barcodes erzeugen", sagt Aleksandrs Leitis, Mitautor der Studie.

Für dieses neue System gibt es eine Reihe möglicher Anwendungen. "Zum Beispiel könnte es verwendet werden, um tragbare medizinische Testgeräte herzustellen, die Barcodes für jeden der Biomarker in einer Blutprobe erzeugen", sagt Dragomir Neshev, ein weiterer Koautor der Studie.

Künstliche Intelligenz könnte in Verbindung mit dieser neuen Technologie verwendet werden, um eine ganze Bibliothek molekularer Barcodes für Verbindungen von Proteinen und DNA bis zu Pestiziden und Polymeren zu erzeugen und zu verarbeiten. Dies würde den Forschern ein neues Werkzeug zur Verfügung stellen, mit dem sie winzige Mengen von Verbindungen, die in komplexen Proben vorhanden sind, schnell und genau erkennen können.
 / Interfakultatives Institut für Bioingenieurwesen IBI / School of Engineering – Schule für Lebenswissenschaften / EPFL
Forschungsschule für Physik und Ingenieurwesen, Australian National University, Canberra

Autor: Laure-AnnePessina

Quelle: Mediacom

EPFL

Sourcedemannergesund.com

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