В TU Wien был разработан новый тип датчика, который идеально подходит для этой задачи и уникальным образом сочетает в себе несколько важных преимуществ: основанный на специальной инфракрасной технологии, он значительно более чувствителен, чем предыдущие стандартные устройства. Кроме того, он может быть использован для широкого диапазона концентраций молекул и может работать непосредственно в жидкости. Это является следствием его химической стойкости и, таким образом, обеспечивает получение данных в режиме реального времени, то есть в течение долей секунды. Эти результаты теперь опубликованы в научном журнале Сообщения о природе.

Разные молекулы поглощают разные длины волн

"Для измерения концентрации молекул мы используем излучение в среднем инфракрасном диапазоне спектра", - говорит Борислав Хинков, руководитель исследовательского проекта из Института твердотельной электроники в TU Wien. Это хорошо известный метод: молекулы поглощают определенные длины волн в среднем инфракрасном диапазоне, в то время как другие длины волн передаются без ослабления. Таким образом, разные молекулы имеют свой очень специфический "инфракрасный отпечаток пальца". Точно измеряя профиль силы поглощения, зависящий от длины волны, можно определить концентрацию конкретной молекулы в образце в любой момент времени.

Инфракрасная спектроскопия уже давно широко используется в газовом зондировании. Новым достижением команды TU Wien является внедрение этой технологии на сенсорном чипе размером с кончик пальца, который специально подходит для измерения жидкости. Разработка такого датчика была как технологической, так и аналитической задачей, поскольку жидкости поглощают инфракрасное излучение гораздо сильнее, чем газы. Компактный жидкостный датчик был разработан в сотрудничестве с Бенедиктом Шварцем из Института твердотельной электроники и изготовлен в Центре микро- и наноструктур, ультрасовременной чистой комнате TU Wien.

"Для измерения нам нужно всего несколько микролитров жидкости", - говорит Борислав Хинков. "И датчик передает данные в режиме реального времени - много раз в секунду. Таким образом, мы можем точно отслеживать изменение концентрации в режиме реального времени и измерять текущую стадию химической реакции в мензурке. Это сильно отличается от других эталонных технологий, где вам нужно взять образец, проанализировать его и ждать результата до нескольких минут ".

Сотрудничество между различными дисциплинами является ключевым

Это стало возможным благодаря сотрудничеству между кафедрами электротехники и химии Венского технического университета: Институт твердотельной электроники обладает обширным опытом в проектировании и изготовлении так называемых квантовых каскадных лазеров и детекторов. Это крошечные устройства на основе полупроводников, которые могут излучать или обнаруживать инфракрасное лазерное излучение с точно определенной длиной волны на основе их микро- и наноструктуры.

Инфракрасное излучение, испускаемое таким лазером, проникает в жидкость в масштабе микрометров и затем измеряется детектором на том же чипе. Используя эти специально скомбинированные ультракомпактные лазеры и детекторы, было создано чувствительное устройство, и его производительность была протестирована в ходе первых пробных измерений концепции. Работа проводилась в сотрудничестве с группой Бернхарда Лендля из Института химических технологий и аналитики.

Экспериментальная демонстрация: белок меняет свою структуру

Для демонстрации работы нового датчика среднего инфракрасного диапазона была выбрана реакция из биохимии: известный модельный белок нагревали, тем самым изменяя его геометрическую структуру. Первоначально белок имеет форму спиралеобразной спирали, но при более высоких температурах он разворачивается в плоскую структуру. Это геометрическое изменение также изменяет специфический спектр поглощения отпечатков пальцев в средней инфракрасной области белка. "Мы выбрали две подходящие длины волн и изготовили подходящие датчики на основе квантового каскада, которые мы интегрировали в один чип", - говорит Борислав Хинков. "И действительно, оказывается: вы можете использовать этот датчик для наблюдения за так называемой денатурацией выбранного модельного белка с высокой чувствительностью и в режиме реального времени".

Технология чрезвычайно гибкая. Можно регулировать необходимые длины волн по мере необходимости для изучения различных молекул. Также возможно добавить дополнительные квантовые каскадные датчики на том же чипе для измерения различных длин волн и, таким образом, различать концентрацию разных молекул одновременно. "Это открывает новую область в аналитической химии: спектроскопию жидкостей в среднем инфракрасном диапазоне в реальном времени", - говорит Борислав Хинков. Возможные области применения чрезвычайно разнообразны - они варьируются от наблюдения термически индуцированных структурных изменений белков и аналогичных структурных изменений в других молекулах до анализа химических реакций в реальном времени, например, при производстве фармацевтических препаратов или в промышленных производственных процессах. Везде, где возникает необходимость контролировать динамику химических реакций в жидкостях, этот новый метод может принести важные преимущества.

Работа финансировалась за счет гранта Лизе Мейтнер от FWF Бориславу Хинкову и проекта ЕС Horizon2020 "cFlow".