Ученые ИТМО совместно с коллегами из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе и Харбинского политехнического университета разработали новую конструкцию сверхчувствительного терагерцового сенсора. По расчетам исследователей, такая конструкция позволит в разы точнее фиксировать изменения состава жидкостей и при этом не потребует химических реагентов.
Терагерцовое излучение рассматривается как перспективный инструмент для медицинской диагностики и экологического мониторинга. Оно безопасно для человека, способно проходить через непрозрачные материалы и взаимодействовать с крупными органическими молекулами. Однако существующие терагерцовые сенсоры ограничены низкой чувствительностью и избирательностью: им сложно заметить небольшие изменения концентрации вещества и различить разные типы молекул.
Проблема связана с тем, что длина терагерцовой волны значительно больше размера отдельных молекул. Из-за этого взаимодействие между излучением и веществом получается слабым.
Исследователи предложили конструкцию, которая должна решить эту проблему. Она состоит из графеновой метаповерхности, микрорезонатора и золотого отражающего слоя. Вместе эти элементы практически не дают терагерцовому излучению отражаться от поверхности и концентрируют его энергию внутри микрорезонатора, где находится исследуемое вещество.
При попадании терагерцовой волны в структуре возникает резонанс Фано. Он позволяет усилить взаимодействие света с веществом: отражение становится практически нулевым, а поглощение достигает максимума. В результате излучение многократно проходит через исследуемое вещество внутри сенсора, что повышает чувствительность системы.
Еще одна особенность конструкции — возможность электрической настройки. Изменяя напряжение на графеновой метаповерхности, можно управлять параметрами резонанса и адаптировать сенсор к разным условиям.
В будущем ученые планируют изготовить реальный образец сенсора и адаптировать его для распознавания хиральных молекул — соединений с двумя зеркально симметричными формами. Несмотря на одинаковый химический состав, такие формы могут по-разному воздействовать на организм, поэтому их различение особенно важно для фармакологии.
По словам авторов, разработка может позволить фиксировать даже небольшие изменения показателя преломления, например связанные со следовыми количествами глюкозы, белков, вирусов или токсинов в жидкости. Потенциальные области применения — диагностика раковых клеток и вирусов в биопсии без окрашивания образца, обнаружение микродоз пестицидов и промышленных загрязнителей в воде, а также контроль качества в фармацевтической и пищевой промышленности.
Читайте также:
Insilico Medicine представила открытый бенчмарк для оценки ИИ в разработке лекарств
Google DeepMind рассчитала все 9 миллиардов мутаций в геноме человека
В России создан фотокатализатор для очистки воды и воздуха под видимым светом