NRL-forskere hæver krigskæmperens beredskab mod usynlige trusler

I asymmetrisk krigsførelse, tidlig påvisning og identifikation af sporniveauer af kemiske og biologiske agenser og eksplosive forbindelser er afgørende for hurtig reaktion, respons, og overlevelsesevne. Selvom der er mange metoder, der i øjeblikket bruges, der kan opdage disse trusler, ingen tillader det unikke fingeraftryk af trusselsagenter på sporniveauer.

Et forskerhold, ledet af Drs. Joshua Caldwell og Orest Glembocki, forskere ved U.S. Naval Research Laboratory, Electronic Science and Technology Division, har overvundet denne begrænsning med overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) ved hjælp af optisk stimulerede plasmonoscillationer i nanostrukturerede substrater.

Vist at give forbedringer af Raman-signalet, stort område guld (Au) coated silicium (Si) nanopillar arrays er over 100 millioner gange mere følsomme end Raman scattering sensing alene, samtidig med at den bibeholder en meget ensartet respons med mindre end 30 procent variabilitet over sensorområdet.

"Disse arrays er mere end en størrelsesorden mere følsomme end de bedst rapporterede SERS-sensorer i litteraturen og de nuværende avancerede kommercielle SERS-sensorer for store områder, " sagde Caldwell. "Disse arrays kan være en nøglekomponent i fuldt integrerede, autonomt fungerende kemiske sensorer, der registrerer, identificere og rapportere tilstedeværelsen af ​​en trussel på sporniveauer af eksponering."

Raman-enheder bruger laserlys til at excitere molekylære vibrationer, hvilket igen forårsager et skift i energien af ​​de spredte laserfotoner, op eller ned, skabe et unikt visuelt mønster. I tilfælde af spormængder af molekyler i gasser eller væsker, detektion gennem almindelig Raman-spredning er praktisk talt umulig. Imidlertid, Raman-signalet kan forstærkes via SERS-effekten ved hjælp af metalnanopartikler.

På trods af overfladeforstærket Raman-spredning blev først observeret i slutningen af ​​1970'erne, bestræbelserne på at levere reproducerbare SERS-baserede kemiske sensorer er blevet hindret af manglende evne til at fremstille store enheder med en ensartet SERS-respons. Evnen til reproducerbart at mønstre nanometerstore partikler i periodiske arrays har endelig gjort det muligt at opfylde dette krav.

"Mens der i øjeblikket er mange værktøjer tilgængelige til at opdage spormængder af kemisk krigsførelse og biologiske midler og eksplosive forbindelser, en enhed, der bruger SERS, kan bruges til at identificere disse små mængder af kemikalierne af interesse ved at give et 'fingeraftryk' af materialet, som næsten eliminerer forekomsten af ​​falske alarmer, " siger Glembocki.

SERS tilbyder flere potentielle fordele i forhold til andre spektroskopiske teknikker på grund af dens målehastighed, høj følsomhed, bærbarhed, og enkel manøvredygtighed. SERS kan desuden bruges til at forbedre eksisterende Raman-teknologier, såsom håndholdte og standoff-enheder, der allerede er i brug i feltapplikationer.