Umwandlung von Molekülabdrücken in Strichcodes

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Dank eines neuen, an der EPFL entwickelten Systems können Moleküle ohne grosse Geräte äusserst genau aufgespürt und analysiert werden. Diese Technik ebnet den Weg für die grossflächige Identifizierung von Bestandteilen unter Zuhilfenahme von Systemen der künstlichen Intelligenz. Die entsprechende Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Bezüglich Identifizierung und Analyse von organischen Molekülen gilt die Infrarotspektroskopie als Schlüsselmethode. Sie erfordert jedoch die Nutzung komplexer Techniken und kostspieliger sowie voluminöser Geräte, deren Miniaturisierung eine echte Herausforderung darstellt. Für Analysen im Feld, zum Beispiel zur Messung von Schadstoffen, oder bei bestimmten industriellen und medizinischen Anwendungen können sie bisher nicht verwendet werden. Ihre Sensibilität ist ebenfalls beschränkt, wenn es um den Nachweis geringer Mengen geht.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie der EPFL haben mit der Nationalen Universität Australiens zusammengearbeitet, um eine kompakte und sensible Nanophotonenmethode zu entwickeln, mit der die Eigenschaften von Molekülen ohne die traditionelle Spektrometrie ermittelt werden können. Die Forscherinnen und Forscher haben ihre Technik schon eingesetzt, um Polymere, Pestizide und organische Moleküle aufzuspüren. Ausserdem ist die Plattform mit den CMOS-Technologien kompatibel.

Es handelt sich um eine mit Hunderten winzigen, als Metapixel bezeichneten Sensoren bedeckte Fläche, mit denen für jedes Molekül, das mit ihr in Berührung kommt, ein eigener Strichcode erzeugt wird. Diese Strichcodes können dank der neuen Klassifizierungs- und Bilderkennungsinstrumente des Typs künstliche Neuronennetze in grossen Massen analysiert und klassifiziert werden. Die Forschung an der Schnittstelle zwischen Physik und Big Data wurde in der Zeitschrift Science vorgestellt.

«Es handelt sich um eine mit Hunderten winzigen, als Metapixel bezeichneten Sensoren bedeckte Fläche, mit denen für jedes Molekül, das mit ihr in Berührung kommt, ein eigener Strichcode erzeugt wird.»

Molekül in Strichcode umgerechnet

In organischen Molekülen sind die Verbindungen zwischen den Atomen auf eine bestimmte Weise ausgerichtet und vibrieren. Dies beeinflusst die Art, mit der das Molekül das Licht absorbiert. Man bezeichnet dies als seine Signatur. Um ein Molekül nachzuweisen, wird ein Lichtstrahl ausgesandt und geschaut, ob diese charakteristischen Frequenzen absorbiert werden. Dies erfordert den Einsatz voluminöser und kostspieliger Laborinstrumente.

Die Forscherinnen und Forscher der EPFL bieten nun eine sehr sensible und miniaturisierbare Lösung an: eine Plattform aus Nanostrukturen, die das Licht auf Nanometerniveau beschränken und eine hohe Sensibilität beim Nachweis der Bestandteile bieten. «Da die Moleküle, die wir nachweisen wollen, ebenfalls im Nanometerbereich liegen, ist dieser Schritt entscheidend», erklärt Hatice Altug, Leiterin des Labors für bionanophotonische Systeme (BIOS) und Mitautorin der Studie. Die Nanostrukturnetze werden zu sogenannten Metapixeln zusammengefasst, die das Licht jeweils bei einer anderen Frequenz zum Schwingen bringen.

«Die Metapixel werden so arrangiert, dass die verschiedenen Frequenzen auf verschiedene Stellen an der Oberfläche verteilt werden», erklärt Andreas Tittl, Erstautor der Studie.

Wenn sich ein Molekül auf die Plattform setzt, verändert die Art, wie es das Licht absorbiert, das Verhalten aller mit ihm in Kontakt stehenden Pixel. Dadurch entsteht eine verpixelte Karte der Lichtabsorption, die in molekulare Strichcodes umgerechnet werden kann. Dafür wird kein Spektrometer benötigt.

«Dank der einzigartigen optischen Eigenschaften unseres Sensors können wir die Strichcodes sogar mit Breitbandlichtquellen und ‑detektoren erzeugen», sagt Aleksandrs Leitis, Mitautor der Veröffentlichung.

Anwendungsmöglichkeiten gibt es viele. «Man könnte sich vorstellen, einen tragbaren medizinischen Test herzustellen, der für alle Biomarker in einer Blutprobe einen Strichcode liefert», sagt Dragomir Neshev, Mitautor der Studie.

Mithilfe von Instrumenten der künstlichen Intelligenz könnte man ausserdem eine riesige Bibliothek mit molekularen Strichcodes für Bestandteile von Proteinen über Pestizide und Polymere bis zur DNA aufbauen und bereitstellen. Mit einem solchen Instrument könnten die Forscherinnen und Forscher schnell winzige Mengen an Bestandteilen in komplexen Umfeldern nachweisen.

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