Forskere rapporterer en kemisk sensingchip, der nærmer sig en kvantegrænse

Forskere fra University at Buffalo rapporterer en fremgang af en kemisk sensing-chip, der kan føre til håndholdte enheder, der registrerer sporkemikalier - alt fra ulovlige stoffer til forurening - lige så hurtigt som en alkometer identificerer alkohol.

Chippen, som også kan have anvendelse i fødevaresikkerhedsovervågning, anti-forfalskning og andre områder, hvor sporkemikalier analyseres, er beskrevet i en undersøgelse, der vises på forsiden af ​​tidsskriftets 17. december-udgave Avancerede optiske materialer .

"Der er et stort behov for bærbare og omkostningseffektive kemiske sensorer på mange områder, især stofmisbrug, " siger undersøgelsens hovedforfatter Qiaoqiang Gan, Ph.D., professor i elektroteknik ved UB School of Engineering and Applied Sciences.

Arbejdet bygger på tidligere forskning, som Gans laboratorium ledede, og som involverede at skabe en chip, der fanger lys ved kanterne af guld- og sølvnanopartikler.

Når biologiske eller kemiske molekyler lander på chippens overflade, noget af det indfangede lys interagerer med molekylerne og "spreds" ind i lyset af nye energier. Denne effekt opstår i genkendelige mønstre, der fungerer som fingeraftryk af kemiske eller biologiske molekyler, afsløre oplysninger om, hvilke forbindelser der er til stede.

Fordi alle kemikalier har unikke lysspredende signaturer, teknologien kunne i sidste ende integreres i en håndholdt enhed til påvisning af stoffer i blod, åndedrag, urin og andre biologiske prøver. Det kan også indarbejdes i andre enheder for at identificere kemikalier i luften eller fra vand, samt andre overflader.

Sansemetoden kaldes overfladeforstærket Raman-spektroskopi (SERS).

Selvom det er effektivt, chippen, som Gan-gruppen tidligere skabte, var ikke ensartet i sit design. Fordi guld og sølv var ujævnt fordelt, det kan gøre spredte molekyler svære at identificere, især hvis de dukkede op på forskellige steder på chippen.

Gan og et team af forskere - med medlemmer af hans laboratorium på UB, og forskere fra University of Shanghai for Science and Technology i Kina, og King Abdullah University of Science and Technology i Saudi-Arabien – har arbejdet på at afhjælpe denne mangel.

Holdet brugte fire molekyler (BZT, 4-MBA, BPT, og TPT), hver med forskellige længder, i fremstillingsprocessen for at kontrollere størrelsen af ​​hullerne mellem guld- og sølvnanopartiklerne. Den opdaterede fremstillingsproces er baseret på to teknikker, atomlagsaflejring og selvsamlede monolag, i modsætning til den mere almindelige og dyrere metode til SERS-chips, elektronstrålelitografi.

Resultatet er en SERS-chip med hidtil uset ensartethed, som er relativt billig at producere. Vigtigere, det nærmer sig kvante-grænse sensing kapaciteter, siger Gan, hvilket var en udfordring for konventionelle SERS-chips

"Vi tror, ​​at chippen vil have mange anvendelsesmuligheder ud over håndholdte lægemiddeldetektionsanordninger, " siger den første forfatter til dette værk, Nan Zhang, Ph.D., en postdoc-forsker i Gans laboratorium. "For eksempel, det kunne bruges til at vurdere luft- og vandforurening eller fødevaresikkerheden. Det kunne være nyttigt i sikkerheds- og forsvarssektoren, og det har et enormt potentiale i sundhedsvæsenet."