香港大学、北京国家纳米科学中心、哈佛大学和斯图加特大学的研究人员通过开发一种提高表面增强红外吸收（SEIRA）灵敏度的新方法，推进了分子传感领域的发展。SEIRA 使用等离子体纳米结构来放大吸附在其表面的分子的红外信号。石墨烯因其高灵敏度和可调性而成为 SEIRA 特别有前途的材料。然而，石墨烯和分子之间的相互作用被固有的分子阻尼削弱。
新方法采用合成复频波（CFW）将石墨烯传感器检测到的分子信号放大至少一个数量级。它也适用于不同阶段的分子传感。
SEIRA 最初是使用 Ag 和 Au 薄膜进行演示的，但纳米加工的进步和新型等离子体材料的开发已经导致等离子体纳米结构能够更大程度地增强生物分子信号。与基于金属的 SEIRA 相比，二维 (2D) 狄拉克费米子电子态支持的强场限制使基于石墨烯的 SEIRA 在气相和固相传感的分子表征方面具有出色的性能。石墨烯还可以增强水溶液中的分子红外吸收。
石墨烯等离子体激元的主动可调性通过栅极电压改变掺杂水平，拓宽了不同分子振动模式的检测频率范围。这些优点使基于石墨烯的 SEIRA 成为单分子层检测的独特平台。然而，固有分子阻尼显着降低了振动模式和等离子体激元之间的相互作用。结果，在非常低的浓度下，等离子体增强的分子信号的光谱变得非常弱和宽，最终被噪声所掩盖。
补偿分子阻尼的一种方法是添加光学增益材料。然而，这需要复杂的设置，可能与检测系统不兼容。此外，增益材料通常会增加不稳定性和噪声。
另一种可能性是使用复频波（CFW）；理论研究证明，具有时间衰减的CFW可以恢复由于材料损失而导致的信息损失。然而，在实际光学系统中生产 CFW 仍然是一项具有挑战性的任务。
研究人员提出了一种通过组合多个实频波来合成CFW的新方法。该方法已成功应用于提高超级透镜的空间分辨率。研究人员证明，合成的 CFW 可以显着增强基于石墨烯的 SEIRA 中的分子振动指纹。他们成功地应用合成的 CFW 来改善不同条件下生物分子的中红外消光光谱中的分子信号，包括直接测量脱氧雪腐镰刀菌烯醇 (DON) 分子的多种振动模式以及固相和水溶液中蛋白质的基于石墨烯的 SEIRA 。
这种使用合成 CFW 的 SEIRA 新方法对于各种 SEIRA 技术具有高度的可扩展性，并且通常可以提高传统 SEIRA 技术的检测灵敏度。它可用于开发具有广泛应用的超灵敏传感器，例如早期疾病诊断、个性化医疗和有毒物质的快速检测。这种方法在分子传感领域具有巨大的潜力，能够检测目前无法检测到的痕量分子。
