人們越來越關注空氣和水的質量以及對其中所含有害化合物的控制。即使是很小濃度的此類化合物也可能對人類和動物的健康產生巨大的負面影響。需要複雜的設備來監視物質的化學成分並識別特定的化合物。過去所應用的方法中最廣泛的是振動光譜法（vibrational spectroscopy）。
藉助振動光譜，可以了解未知的物質分子組成。其工作原理是：有一個未知的物質，由許多互相相互作用的原子組成；例如一個氨基具有氫和氮原子。當受到光輻射時，這些原子開始振蕩，吸收一定的當它們處於能量狀態時，能量的數量會減少。因此，能量的吸收頻率可以用來確定分子所組成的功能原子團。然後，可以創建一個供檢測器使用的檢測器，它可以確定與它一起呈現的物質的類型。
目前所使用的光譜儀通常在中紅外光譜範圍內操作，波長為2.5-25微米。在此範圍內，可以定義和分析入射光的能量與已經通過物質的能量之間的差異。然而，在該範圍內工作的分析儀相對較大且笨重，並且相當昂貴。此外，中紅外光譜中的某些波段是如此之強，就像那些與氫原子的OH基振動相關的波段一樣，以至於在檢測少量物質時會導致總能量吸收。當解釋吸收光譜中的其他特徵振動帶時，這些帶成為困難的原因。
如果該系統不能在中紅外而不是在與短波輻射一致的近紅外光譜中運行，則該系統的尺寸可以縮小几倍。對近紅外光譜的研究遠遠超過對中紅外光譜的研究，這主要是因為現代電信系統使用了近紅外光譜。
一種新的方法將使製造緊湊的設備成為可能，該設備將準確確定液體或氣體的分子組成，並幫助識別潛在的危險化學化合物。以色列研究人員的這一最新研究結果論文發表在《納米材料》上。
研究人員說：「近紅外光譜的主要優點是，如今有許多節能、高質量的連續輻射裝置和可靠的探測器。」 「它們比中紅外範圍內的價格便宜，而且結構更緊湊。因此，中紅外光譜儀的尺寸為1.5 x 1.5米，而近紅外光譜儀則可以放在人的手掌上。」
但是，存在一個問題——縮短波長意味著傳入和傳出能量之間的差異變得太小而難以檢測。結果，為了進行高質量的分析需要大量的物質，這使緊湊的設備面臨風險。此外，許多傳感器旨在檢測濃度很小的未知物質，例如有毒分子。在近紅外光譜中，這項任務變得更加困難。
在創建基於近紅外振動光譜的分析儀之前，由於傳入和傳出能量之間的差異，科學家需要找到一種方法來放大接收到的信號。
為此，研究人員在論文中，提出了新的設計方案：在透明的電介質（例如硼矽酸鹽玻璃）的基礎上，形成周期性排列的金納米平行六面體陣列。可以通過電子束光刻獲得這種結構。然後，用被研究物質的薄層覆蓋襯底，並記錄樣品的透射光譜，這是通過金納米顆粒中的等離子體共振和被研究物質的分子振動（泛音）的組合激發來調節的。
金納米平行六面體擬議形式的分子在等價於所研究分子具有吸收帶的相同光譜區域內具有等離子體共振，此外，在金屬表面附近，電磁場被強烈放大，因此提高了傳感器的靈敏度。
參考：Lattice Rayleigh Anomaly Associated Enhancement of NH and CH Stretching Modes on Gold Metasurfaces for Overtone Detection, Nanomaterials (2020). DOI: 10.3390/nano10071265量子認知 | 簡介科學新知識，敬請熱心來關注。