Forskere foreslår, at man anvender metanoverflader af guld til at bestemme stoffets molekylære sammensætning

En ny metode vil gøre det muligt at skabe kompakte enheder, der nøjagtigt bestemmer den molekylære sammensætning af en væske eller gas, og hjælpe med at identificere potentielt farlige kemiske forbindelser. Resultaterne af arbejdet udført af forskere fra ITMO University og Ben-Gurion University of the Negev, Israel er blevet offentliggjort i Nanomaterialer .

I dag, mere og mere opmærksomhed rettes mod kvaliteten af ​​luft og vand og kontrol med eventuelle skadelige forbindelser, de måtte indeholde. Selv en lille koncentration af sådanne forbindelser kan have en enorm negativ effekt på menneskers og dyrs sundhed. Vi har brug for komplekst udstyr til at overvåge den kemiske sammensætning af stoffer og identificere specifikke forbindelser. Den mest udbredte af de tidligere anvendte metoder er vibrationsspektroskopi.

"Med vibrationsspektroskopi, du kan nemt lære den molekylære sammensætning af ethvert stof, du tidligere ikke kendte, "forklarer Daler Dadadzhanov, Ph.d.-studerende ved et fælles program fra ITMO University og Ben-Gurion University of the Negev, Israel, forskningsassistent ved International Research and Education Center for Physics of Nanostructures. "Det fungerer sådan her:vi har et ukendt stof, der består af et antal atomer, der interagerer med hinanden; en aminogruppe, for eksempel, har brint- og nitrogenatomer. Når de udsættes for lysstråling, disse atomer begynder at oscillere, absorberer en vis mængde energi, mens de er i gang. Som resultat, den udgående energi vil være mindre. Den frekvens, hvormed energien blev absorberet, kan bruges til at bestemme de funktionelle atomgrupper et molekyle består af. Derefter, et 'molekylært ID' kunne oprettes, som derefter kan bruges af en detektor, da det bestemmer, hvilken slags stof den blev præsenteret for."

De spektrometre, der bruges i dag, fungerer normalt i det mellem-infrarøde spektralområde, med bølgelængden på 2,5-25 mikrometer. I dette område, forskellene mellem energien af ​​indfaldende lys og den energi, der allerede passerede gennem stoffet, kan let defineres og analyseres. Analysatorerne, der arbejder i dette område, imidlertid, er relativt store og besværlige, samt ret dyre. I øvrigt, nogle bånd i det mellem-infrarøde spektrum er så intense, som dem, der er forbundet med brintatomers vibration af en OH-gruppe, at de fører til total energiabsorbering ved påvisning af små mængder stoffer. Disse bånd er årsagen til vanskeligheder ved fortolkning af andre karakteristiske vibrationsbånd i absorptionsspektret.

Systemet kunne gøres flere gange mindre, hvis den ikke kunne fungere i det mellem-infrarøde, men i det nær-infrarøde spektrum i overensstemmelse med kortbølget stråling. Det nær-infrarøde spektrum studeres meget mere end det mellem-infrarøde - mest fordi det bruges af moderne telekommunikationssystemer.

"Den største fordel ved det nær-infrarøde spektrum er, at der i dag er en masse energieffektive og højkvalitets kontinuerlige strålingsenheder og pålidelige detektorer, " kommenterer Dadadzhanov. "De er billigere end dem, der bruges i det mellem-infrarøde område og mere kompakte. Dermed, det mellem-infrarøde spektrum udstyr kan være 1,5 gange 1,5 meter i størrelse, mens den nær-infrarøde kunne passe på en menneskelig håndflade."

Imidlertid, der er et problem – at gøre bølgelængden kortere betyder, at forskellen mellem den indgående og udgående energi bliver for lille til let at blive opdaget. Som resultat, en større mængde stof er nødvendig for analyse af god kvalitet, hvilket bringer komprimering af enheden i fare. Desuden, mange sensorer er rettet mod at detektere ukendte stoffer med marginalt små koncentrationer, såsom toksiske molekyler. Opgaven bliver sværere i det nær-infrarøde spektrum.

Før du opretter en analysator baseret på nær-infrarød vibrationsspektroskopi, forskere er nødt til at finde en måde at forstærke det modtagne signal på grund af forskellen mellem den indgående og udgående energi. Dette var, hvad forskerne fra Ben-Gurion University of the Negev, Israel ledet af Dr. Alina Karabchevsky og deres kolleger fra ITMO University arbejdede på.

"I vores avis, vi foreslår følgende design:på en base af et gennemsigtigt dielektrikum, synes godt om, for eksempel, borosilikatglas, en periodisk række af guld nanoparallelepipeds dannes. Sådanne strukturer kan erhverves med elektronstrålelitografi, " fortsætter Dadadzhanov. "Derefter, vi dækker substratet med et tyndt lag af det undersøgte stof og registrerer prøvens transmittansspektrum, som er betinget af kombineret excitation af plasmonisk resonans i guldnanopartikler og molekylære vibrationer (overtoner) af det undersøgte stof. Guld nanoparallelepipeder i den foreslåede form har deres plasmoniske resonans i præcis det samme område af spektret, hvor de undersøgte molekyler har deres absorptionsbånd. I øvrigt, i nærheden af ​​en metaloverflade er det elektromagnetiske felt kraftigt forstærket. Derfor, dette øger den foreslåede sensors følsomhed. "

Det publicerede papir er teoretisk - med forskning udført på numeriske modeller. Den næste fase, derfor, vil være at udføre egentlige eksperimenter med at skabe sådanne systemer under laboratorieforhold.