Wavelength-multiplexed hook nanoantennas for machine learning enabled mid-infrared spectroscopy

等离子体子 多路复用 材料科学 红外线的 微流控 分子 波长 光电子学 纳米技术 化学 计算机科学 光学 物理 电信 有机化学
作者
Zhihao Ren,Zixuan Zhang,Jingxuan Wei,Bowei Dong,Chengkuo Lee
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:59
标识
DOI:10.1038/s41467-022-31520-z
摘要

Infrared (IR) plasmonic nanoantennas (PNAs) are powerful tools to identify molecules by the IR fingerprint absorption from plasmon-molecules interaction. However, the sensitivity and bandwidth of PNAs are limited by the small overlap between molecules and sensing hotspots and the sharp plasmonic resonance peaks. In addition to intuitive methods like enhancement of electric field of PNAs and enrichment of molecules on PNAs surfaces, we propose a loss engineering method to optimize damping rate by reducing radiative loss using hook nanoantennas (HNAs). Furthermore, with the spectral multiplexing of the HNAs from gradient dimension, the wavelength-multiplexed HNAs (WMHNAs) serve as ultrasensitive vibrational probes in a continuous ultra-broadband region (wavelengths from 6 μm to 9 μm). Leveraging the multi-dimensional features captured by WMHNA, we develop a machine learning method to extract complementary physical and chemical information from molecules. The proof-of-concept demonstration of molecular recognition from mixed alcohols (methanol, ethanol, and isopropanol) shows 100% identification accuracy from the microfluidic integrated WMHNAs. Our work brings another degree of freedom to optimize PNAs towards small-volume, real-time, label-free molecular recognition from various species in low concentrations for chemical and biological diagnostics.

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