Sikring af nationen med fingeraftryksmaterialer

Lawrence Livermore National Laboratory-forskere kan have fundet en måde at forbedre Raman-spektroskopi som et værktøj til at identificere stoffer i ekstremt lave koncentrationer. Potentielle anvendelser for Raman-spektroskopi omfatter medicinsk diagnose, udvikling af lægemidler/kemiske produkter, retsmedicin og meget bærbare detektionssystemer til national sikkerhed.

Evnen til at identificere molekyler i lave koncentrationer med stor specificitet og give ikke-invasive, ikke-destruktive målinger har ført til den stigende brug af Raman-spektroskopi som en accepteret analytisk teknik. Men en mangel ved denne teknik har været dens manglende følsomhed og pålidelighed ved ekstremt lave koncentrationer.

Raman-spektroskopi består i at observere spredning af lys, normalt fra en laser, af molekyler af et gennemsigtigt stof. Forskellen i bølgelængden af ​​spredt lys og indfaldende lys kan give detaljerede oplysninger om stoffets beskaffenhed.

"Raman-spredning giver et flot fingeraftryk af materialer af interesse for national sikkerhed, " sagde Tiziana Bond fra LLNL's Center for Micro and Nano Technology.

Bond og hendes gruppe udvikler overfladeforstærket Raman-spektroskopi (SERS), en metode, der øger følsomheden i størrelsesordener ved at forbedre signaler. Mens de viser et stort potentiale, de substrater, der bruges til SERS, typisk ru metaloverflader, har givet variable signaler i betragtning, endnu, upålidelige. Den ru overflade øger interaktionen mellem molekylet og metallet. Udfordringen har været at finde en måde at skabe et substrat med ensartede topografiske træk, der giver konsistente signalforbedringer.

Noget af dette arbejde er beskrevet i et papir offentliggjort i september 2010-udgaven af Nanoteknologi berettiget " Strenge overfladeforbedret Raman-spektralkarakterisering af stort område, Høj ensartethed, Sølvbelagte koniske silica nanopillar-arrays , " som blev udgivet af Bond og hendes gruppe i samarbejde med forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign.

Forbedrede nano-ingeniørteknikker og halvlederfremstillingsmetoder har muliggjort produktionen af ​​SERS-substrater - basislaget eller teksturen på 4- til 6-tommers wafers - som er mere pålidelige. Nøglen er substrater med "reproducerbarhed" tilstrækkelig til pålidelig analyse. LLNL-forskere har arbejdet på flere teknikker for at opnå et mere robust og ensartet substrat, der bevarer høj følsomhed og reproducerbarhed.

Elektromagnetiske og kemiske forbedringer er to faktorer, der påvirker SERS total forbedring (med hensyn til Raman). Den første er stærkere og tegner sig for 106-108 forbedringer, mens den anden typisk er ansvarlig for 10-100 faktorer. For at udnytte de elektromagnetiske effekter, de metalliske nanostrukturer skal designes korrekt.

I en artikel med titlen " Plasmonresonanshulrum i vertikale nanotrådsarrays " offentliggjort i Nano bogstaver tidligere i år, Bonds gruppe, undersøg et innovativt design ved hjælp af et lodret, guldbelagt nanotråd-array-substrat, der ville give en stærk og kontrollerbar forbedring. LLNL-teamets innovation er fremstillingen af ​​"afstembare" plasmonresonanshulrum i de vertikale ledningsarrays - hulrum er rummet mellem de lodrette ledninger. Mihail Bora, en postdoc, der sluttede sig til Bonds gruppe for et år siden, er stærkt involveret i denne del af projektet og forklarer, at overfladeplasmoner er elektromagnetiske bølger, der ligner lys, bortset fra at de er begrænset til metaloverflader. Tuning af plasmonresonans opnås ved at kontrollere de geometriske dimensioner af hulrummet.

De introducerer det mindste optiske resonanshulrum, der er tusindvis af gange mindre end lysets bølgelængde og viste, at det er muligt at gå ud over denne diffraktionsgrænse ved at bruge overfladeplasmoner. Resonanshulrum bruges i øjeblikket til overfladeforstærket Raman-spektroskopi for at detektere kemiske analytter (koncentration). "Ved at begrænse lyset i så trange rum er vi i stand til at skabe intense felter, der er nyttige til at øge spektroskopisignalet, " sagde Bond.

Disse designfunktioner giver en række fordele. For eksempel, det gør det muligt at justere følsomheden af ​​substraterne, eller tilpasset, til forskellige bølgelængder, hvilket giver forskerne større alsidighed.

Blandt mulige anvendelsesforlængelser af det plasmoniske substrat ud over forbedringen af ​​SERS er at muliggøre demonstration af sub-bølgelængde plasmoniske lasere, og bredbånds nanoantennearrays til solceller ved at lege med geometrifaktorer.

Gruppens arbejde er blevet finansieret af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) og LLNL's Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program.