Hệ thống mới có thể phát hiện và phân tích các phân tử mà không cần đến thiết bị quang phổ hồng ngoại. Công nghệ này có thể tích hợp trong một chip cảm biến nhỏ gọn, mở ra cánh cửa để phát hiện vật liệu dựa vào hình ảnh trên quy mô lớn, sử dụng công nghệ máy học

Các tác giả cho thấy hình ảnh một siêu bề mặt cảm biến dạng pixel thuộc quang phổ học phân tử. Nó bao gồm các metapixels (siêu điểm ảnh) được tạo ra để tập trung khối lượng ánh sáng thành kích thước nano, nhằm khuếch đại và phát hiện vân tay hấp thụ của các phân tử mẫu phân tích, ở các bước sóng cộng hưởng cụ thể. Kết quả hiển thị đồng thời dựa trên hình ảnh của tất cả các siêu điểm ảnh cho ta một bản đồ không gian của phân tử vân tay hấp thụ, lấy mẫu từ các bước sóng cộng hưởng riêng lẻ. Bản đồ hấp thụ dạng pixel này có thể được xem như là một mã vạch hai chiều của phân tử vân tay, mã hóa các dải hấp thụ đặc trưng như thuộc tính của hình ảnh kết quả. Nguồn: EPFL

Các tác giả cho thấy hình ảnh một siêu bề mặt cảm biến dạng pixel thuộc quang phổ học phân tử. Nó bao gồm các metapixels (siêu điểm ảnh) được tạo ra để tập trung khối lượng ánh sáng thành kích thước nano, nhằm khuếch đại và phát hiện vân tay hấp thụ của các phân tử mẫu phân tích, ở các bước sóng cộng hưởng cụ thể. Kết quả hiển thị đồng thời dựa trên hình ảnh của tất cả các siêu điểm ảnh cho ta một bản đồ không gian của phân tử vân tay hấp thụ, lấy mẫu từ các bước sóng cộng hưởng riêng lẻ. Bản đồ hấp thụ dạng pixel này có thể được xem như là một mã vạch hai chiều của phân tử vân tay, mã hóa các dải hấp thụ đặc trưng như thuộc tính của hình ảnh kết quả. Nguồn: EPFL

Quang phổ hồng ngoại là phương pháp chuẩn để phát hiện và phân tích các hợp chất hữu cơ. Nhưng nó đòi hỏi quy trình phức tạp và các dụng cụ cồng kềnh, đắt đỏ, khiến cho việc tối giản hóa thiết bị trở nên khó khăn, và gây cản trở khi sử dụng trong một vài ứng dụng y tế và công nghiệp, cũng như trong việc thu thập dữ liệu thực địa, chẳng hạn như đo nồng độ chất gây ô nhiễm. Hơn nữa, do giới hạn về độ nhạy thấp, nó đòi hỏi số lượng mẫu lớn.

Tuy nhiên, các nhà khoa học tại Trường Kỹ thuật thuộc Đại học Bách khoa Liên bang Lausanne (EPFL) của Thụy Sĩ và Đại học Quốc gia Úc (ANU) đã phát triển một hệ thống quang tử nano nhỏ gọn và nhạy bén, có thể xác định các đặc tính hấp thụ của một phân tử mà không cần dùng đến phổ kế thông thường.

Hệ thống của họ bao gồm một bề mặt bao phủ bởi hàng trăm bộ cảm biến nhỏ gọi là metapixels (siêu điểm ảnh), có thể tạo ra một mã vạch riêng biệt cho mỗi phân tử mà bề mặt tiếp xúc. Người ta có thể phân tích và phân loại hàng loạt các mã vạch này bằng cách sử dụng công nghệ nhận dạng và phân loại mẫu tiên tiến như mạng lưới nơron nhân tạo. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Science – như một nút giao giữa vật lý, công nghệ nano và dữ liệu lớn.

Dịch các phân tử thành mã vạch

Các liên kết hóa học trong các phân tử hữu cơ đều có hướng và chế độ rung cụ thể. Điều này nghĩa là mỗi phân tử có một tập hợp các mức năng lượng đặc trưng, thường nằm ở dải hồng ngoại trung - tương ứng với bước sóng trong khoảng 4 - 10 micron (1 micron = 10^-3 mm). Do đó, mỗi loại phân tử hấp thụ ánh sáng ở các tần số khác nhau, tạo cho chúng một “dấu ấn” độc nhất. Quang phổ hồng ngoại có thể phát hiện một phân tử có trong mẫu hay không bằng cách xem mẫu có hấp thụ tia sáng ở tần số “dấu ấn” của nó hay không. Tuy nhiên, các phân tích như vậy đòi hỏi các dụng cụ thí nghiệm đồ sộ với giá trên trời.

Hệ thống tiên phong do các nhà khoa học EPFL phát triển vừa nhạy vừa có khả năng tối giản hóa thiết bị; sử dụng các cấu trúc nano có thể thu được ánh sáng ở cấp độ nano và do đó khả năng phát hiện ra các mẫu trên bề mặt là rất cao. "Các phân tử chúng tôi muốn khám phá chỉ cỡ nanomet, vì vậy việc thu hẹp khoảng cách kích thước này là một bước quan trọng", Hatice Altug, trưởng phòng thí nghiệm BioNanoPhotonic Systems của EPFL và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết..

Cấu trúc nano của hệ thống được nhóm lại thành các metapixels sao cho mỗi metapixel đó cộng hưởng ở một tần số khác nhau. Khi một phân tử tiếp xúc với bề mặt, cách phân tử hấp thụ ánh sáng sẽ tạo ra thay đổi trong cách vận hành của tất cả các metapixels mà nó tiếp xúc.
Andreas Tittl, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Quan trọng hơn, các metapixels được sắp xếp sao cho các tần số dao động khác nhau được ánh xạ tới các khu vực khác nhau trên bề mặt.”

Việc này giúp tạo ra một bản đồ hấp thụ ánh sáng pixel mà có thể dịch sang mã vạch phân tử - tất cả đều không sử dụng đến phổ kế.

Các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống này để phát hiện phân tử polymer, thuốc trừ sâu và các hợp chất hữu cơ. Hơn nữa, hệ thống của họ tương thích với công nghệ chế tạo mạch tích hợp (CMOS).

Aleksandrs Leitis, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Nhờ vào các đặc tính quang học độc đáo của những bộ cảm biến này, chúng ta có thể tạo ra mã vạch ngay cả với các nguồn sáng và thiết bị dò tìm băng thông rộng.”

Có một số ứng dụng tiềm năng cho hệ thống mới này. Dragomir Neshev, một đồng tác giả khác của nghiên cứu cho biết: “Ví dụ, có thể sử dụng nó để chế tạo các thiết bị thử nghiệm y tế di động, giúp tạo mã vạch cho từng dấu ấn sinh học trong mẫu máu”.

Có thể sử dụng trí thông minh nhân tạo kết hợp với công nghệ mới này để tạo và xử lý toàn bộ thư viện mã vạch phân tử cho các hợp chất khác nhau, từ protein và DNA đến thuốc trừ sâu và polymer. Việc này sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu một công cụ mới để phát hiện nhanh chóng và chính xác một lượng nhỏ các hợp chất có trong các mẫu phức tạp.