Specifikt størrelse guld nanopartikelkugler øger følsomheden af ​​lysbaseret kemisk detektor

En sensor, der er afhængig af reflekteret lys til at analysere biomedicinske og kemiske prøver, har nu større følsomhed, takket være et tæppe af guld nanopartikler. Xia Yu fra A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology, sammen med sine elever og kolleger, har bestemt den ideelle størrelse af nanopartikler for at forbedre sensorer for overfladeplasmonresonans (SPR).

Sådanne sensorer indeholder et prisme med en flade dækket af en tynd film af guld. Når laserlys skinner gennem prismet, det reflekterer for det meste guldet til en detektor. Imidlertid, hvis lyset rammer guldet i en bestemt vinkel, noget af det kobles sammen med elektroner i metallet for at producere elektromagnetiske bølger kaldet overfladeplasmonpolaritoner. Stærkere kobling fører til, at mindre lys reflekteres mod detektoren.

Når en væskeprøve flyder hen over guldfilmen, det ændrer brydningsindekset i det område og ændrer en smule vinklen, hvormed lyset ankommer til metallet. Dette hæmmer dannelsen af ​​polaritoner, hvilket betyder, at mere af lyset reflekteres mod detektoren. Variering af laserstrålens vinkel og overvågning af intensiteten af ​​det reflekterede lys afslører sammensætningen af ​​prøver, der flyder over metaloverfladen.

Andre forskere har vist, at guld nanopartikler kan forbedre sensorens reaktionsevne. Indkommende lysgnister lokaliserede plasmonresonanser omkring nanopartiklerne, der kobles til sensoroverfladen, hvilket forårsager større ændringer i intensiteten af ​​det reflekterede lys. Dette gør enheden mere følsom over for lysets ankomstvinkel og er derfor i stand til at detektere lavere koncentrationer af de kemikalier, der testes.

Yus team beregnede de optiske reaktioner fra fire forskellige guldnanopartikler - i diameter fra 40 til 80 nanometer - og bestemte, at de ville være mest effektive, når de blev holdt omkring 5 nanometer over guldoverfladen. Forskerne monterede derefter de forskellige nanopartikler på guldfilm ved hjælp af et svovlholdigt molekyle kaldet dithiothreitol, hvilket gav den optimale 5-nanometer afstand.

Holdets beregninger havde antydet, at det elektriske felt af overfladeplasmonpolaritonerne ville være hundredvis af gange større, når 40 nanometer partikler blev tilføjet til overfladen. "Jo stærkere det elektriske felt er, jo mere følsomme sensorer, " siger Yu. Tests med forskellige koncentrationer af glycerin og formamidopløsninger bekræftede, at 40 nanometer-partiklerne tilbød den største stigning i følsomhed. "Detektionsgrænsen er mindst tre størrelsesordener højere end nuværende kommercielle SPR-sensorer, " siger Yu.

Yu håber nu at anvende denne opdagelse på ultrafølsomme sensorer, der kan opdage spor af cancerbiomarkører.