Ny sensor til SERS Raman -spektroskopi næsten lige så følsom som en hundens næse

Brug af kulnanorør, et forskerhold ledet af professor Hyung Gyu Park i samarbejde med Dr. Tiziana Bond har udviklet en sensor, der i høj grad forstærker følsomheden af ​​almindeligt anvendte, men typisk svage vibrationsspektroskopiske metoder, såsom Raman -spektroskopi. Denne type sensor gør det muligt at detektere molekyler til stede i de mindste koncentrationer.

Forskere ved ETH Zürich og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Californien har udviklet en innovativ sensor til overfladeforbedret Raman-spektroskopi (SERS). Takket være dens unikke overfladeegenskaber i nanoskala, metoden kan bruges til at udføre analyser, der er mere pålidelige, følsom og omkostningseffektiv. I forsøg med den nye sensor, forskerne var i stand til at opdage en bestemt organisk art (1, 2bis (4-pyridyl) ethylen, eller BPE) i en koncentration på et par hundrede femtomol pr. liter. En 100 femtomolær opløsning indeholder omkring 60 millioner molekyler pr. Liter.

Indtil nu, detektionsgrænsen for almindelige SERS -systemer var i nanomolarområdet, altså en milliarddel af en muldvarp. Resultaterne af en undersøgelse foretaget af Hyung Gyu Park, Professor i energiteknologi ved ETH Zürich, og Tiziana Bond, Capability Leader hos LLNL, blev offentliggjort i denne uge som en forsideartikel i det videnskabelige tidsskrift Avancerede materialer .

Raman-spektroskopi drager fordel af det faktum, at molekyler oplyst af fastfrekvent lys udviser 'uelastisk' spredning tæt forbundet med vibrations- og rotationsmåder, der er spændte i molekylerne. Raman -spredt lys adskiller sig fra almindeligt Rayleigh -spredt lys ved, at det har andre frekvenser end det bestrålende lys og producerer et specifikt frekvensmønster for hvert undersøgt stof, gør det muligt at bruge denne spektruminformation som et fingeraftryk til påvisning og identifikation af bestemte stoffer. For at analysere individuelle molekyler, frekvenssignalerne skal forstærkes, hvilket kræver, at det pågældende molekyle enten er til stede i en høj koncentration eller er placeret tæt på en metallisk overflade, der forstærker signalet. Deraf navnet på metoden:overfladeforbedret Raman-spektroskopi.

Forstærkede signaler for forbedret reproducerbarhed

"Denne teknologi har eksisteret i årtier, "forklarer Ali Altun, en doktorand i gruppen ledet af Park ved Institute of Energy Technology. Med dagens SERS -sensorer, imidlertid, signalstyrken er kun tilstrækkelig i isolerede tilfælde og giver resultater med lav reproducerbarhed. Altun, Bond og Park satte sig derfor mål om at udvikle en sensor, der massivt forstærker signalerne fra det Raman-spredte lys.

Det valgte underlag viste sig at være lodret arrangeret, caespitose, tætpakket carbon nanorør (CNT), der garanterer denne høje tæthed af 'hot spots'. Gruppen udviklede teknikker til at dyrke tætte CNT -skove på en ensartet og kontrolleret måde. Tilgængeligheden af ​​denne ekspertise var en af ​​de vigtigste motiver for at bruge nanorør som grundlag for meget følsomme SERS -sensorer, siger Park.

En spaghetti-lignende overflade

Spidserne på CNT'erne er stærkt buede, og forskerne belagt disse spidser med guld og hafniumdioxid, et dielektrisk isolerende materiale. Kontaktpunktet mellem sensorens overflade og prøven ligner således en tallerken spaghetti toppet med sauce. Imidlertid, mellem spaghettistrenge, der er mange tilfældigt arrangerede huller, der slipper igennem spredt lys, og de mange kontaktpunkter - 'hot spots' - forstærker signalerne.

"En metode til fremstilling af yderst følsomme SERS -sensorer er at drage fordel af kontaktpunkterne i metal nanotråde, "forklarer Park. Nano-spaghettistrukturen med metalbelagte CNT-spidser er perfekt til at maksimere tætheden af ​​disse kontaktpunkter.

Ja, Bond forklarer, den brede fordeling af metalliske nanospalter i nanometerområdet, velkendt for at være ansvarlig for ekstrem elektromagnetisk forbedring (eller hot spots) og stærkt forfulgt af mange forskergrupper, er let og let opnået af teamet, hvilket resulterer i de intense og reproducerbare forbedringer.

Sensoren adskiller sig fra andre sammenlignelige ultrafølsomme SERS-sensorer ikke kun med hensyn til dens struktur, men også på grund af dens relativt billige og enkle produktionsproces og det meget store overfladeareal af 3D -strukturer, der producerer en intens, ensartet signal.

Et gennembrud på to niveauer

I første omgang, forskerne dækkede kun spidserne af CNT'erne med guld. De første forsøg med BPE -testmolekylet viste dem, at de var på rette vej, men at detektionsgrænsen ikke kunne reduceres i den grad, de havde håbet. Til sidst, de opdagede, at de elektroner, der kræves på guldlagets overflade til at generere det, der omtales som plasmonresonans, flyder ud via de ledende kulnanorør. Opgaven var derefter at finde ud af, hvordan man forhindrer denne plasmoniske energilækage.

Forskerne belagt CNT'erne med hafniumoxid, et isolerende materiale, før du påfører et lag guld. "Dette var gennembruddet, "siger Altun. Isoleringslaget øgede følsomheden af ​​dets sensorsubstrat med en faktor 100, 000 i molkoncentrationsenheden.

"For os som forskere dette var et øjeblik af triumf, "accepterer Park, "og det viste os, at vi havde lavet den rigtige hypotese og et rationelt design."

Nøglen til en vellykket udvikling af sensoren var derfor todelt:på den ene side det var deres beslutning om at fortsætte med at bruge CNT'er, hvis morfologi er afgørende for at maksimere antallet af 'hot spots', og på den anden side, det var det faktum, at disse nanorør var dobbeltcoatet.

Park og Bond vil nu gerne gå et skridt videre og bringe deres nye princip på markedet, men de søger stadig en branchepartner. Næste, de ønsker at fortsætte med at forbedre sensorens følsomhed, og de leder også efter potentielle anvendelsesområder. Park forestiller sig installation af teknologien i bærbare enheder, for eksempel at lette analyse på stedet af kemiske urenheder, såsom miljøforurenende stoffer eller farmaceutiske rester i vand. Han understreger, at opfindelse af en ny enhed ikke er nødvendig; det er enkelt at installere sensoren på en passende måde.

Andre potentielle anvendelser omfatter retsmedicinske undersøgelser eller militære applikationer til tidlig påvisning af kemiske eller biologiske våben, biomedicinsk applikation til overvågning af fysiologiske niveauer i realtid, og hurtig screening af stoffer og toksiner inden for retshåndhævelse.