Lille lasersensor øger bombedetekteringsfølsomheden

Ny teknologi under udvikling på University of California, Berkeley, kunne snart give bombesnifende hunde en seriøs konkurrence.

Et team af forskere ledet af Xiang Zhang, UC Berkeley professor i maskinteknik, har fundet en måde at dramatisk øge følsomheden af ​​en lysbaseret plasmonsensor til at detektere utroligt små koncentrationer af sprængstoffer. De bemærkede, at det potentielt kunne bruges til at opsnuse et svært at opdage eksplosivt populært blandt terrorister.

Deres resultater skal offentliggøres søndag d. 20. juli, i tidsskriftets avancerede onlineudgivelse Natur nanoteknologi .

De satte sensoren på prøve med forskellige sprængstoffer – 2, 4-dinitrotoluen (DNT), ammoniumnitrat og nitrobenzen – og fandt ud af, at enheden med succes opdagede de luftbårne kemikalier i koncentrationer på 0,67 ppm, 0,4 dele per milliard og 7,2 dele per million, henholdsvis. En del per milliard ville svare til et græsstrå på en fodboldbane.

Forskerne bemærkede, at dette er meget mere følsomt end de offentliggjorte resultater til dato for andre optiske sensorer.

"Optiske eksplosive sensorer er meget følsomme og kompakte, " sagde Zhang, som også er direktør for Materials Science Division ved Lawrence Berkeley National Laboratory og direktør for National Science Foundation Nanoscale Science and Engineering Center ved UC Berkeley. "Evnen til at forstørre et så lille spor af et eksplosiv for at skabe et detekterbart signal er en stor udvikling inden for plasmonsensorteknologi, som er et af de mest kraftfulde værktøjer, vi har i dag."

Den nye sensor kan have mange fordele i forhold til nuværende bombescreeningsmetoder.

"Bombesnusende hunde er dyre at træne, og de kan blive trætte, " sagde studielederforfatter Ren-Min Ma, en assisterende professor i fysik ved Peking Universitet, som udførte dette arbejde, da han var postdoktor i Zhangs laboratorium. "Den anden ting, vi ser i lufthavne, er brugen af ​​vatpinde til at kontrollere for eksplosive rester, men de har relativt lav følsomhed og kræver fysisk kontakt. Vores teknologi kan føre til en bombe-detekterende chip til en håndholdt enhed, der kan detektere de små spordampe i luften af ​​eksplosivets små molekyler."

Sensoren kunne også udvikles til en alarm for ueksploderede landminer, der ellers er svære at opdage, sagde forskerne. Ifølge FN, landminer dræber 15, 000 til 20, 000 mennesker hvert år. De fleste af ofrene er børn, kvinder og ældre.

Ustabil og sulten efter elektroner

Plasmonsensoren i nanoskala, der blev brugt i laboratorieforsøgene, er meget mindre end andre eksplosive detektorer på markedet. Den består af et lag af cadmiumsulfid, en halvleder, lagt oven på et ark sølv med et lag magnesiumfluorid i midten.

Ved design af enheden, forskerne udnyttede den kemiske sammensætning af mange sprængstoffer, især nitro-forbindelser såsom DNT og dets mere velkendte slægtning, TNT. Ikke alene gør de ustabile nitrogrupper kemikalierne mere eksplosive, de har også karakteristisk elektronmangel, sagde forskerne. Denne kvalitet øger molekylernes interaktion med naturlige overfladedefekter på halvlederen. Enheden fungerer ved at detektere den øgede intensitet i lyssignalet, der opstår som følge af denne interaktion.

Potentiel brug til at fornemme eksplosivstof, der er svært at opdage

"Vi tror, ​​at højere elektronmangel i eksplosiver fører til en stærkere interaktion med halvledersensoren, " sagde studielederforfatter Sadao Ota, en tidligere ph.d. studerende i Zhangs laboratorium, som nu er assisterende professor i kemi ved University of Tokyo.

På grund af dette, forskerne håber på, at deres plasmonlasersensor kan detektere pentaerythritoltetranitrat, eller PETN, en eksplosiv forbindelse, der betragtes som en favorit blandt terrorister. Små mængder af det giver et kraftfuldt slag, og fordi det er plastik, den undslipper røntgenmaskiner, når den ikke er tilsluttet detonatorer. Det er sprængstoffet fundet i Richard Reids skobombe i 2001 og Umar Farouk Abdulmtallabs undertøjsbombe i 2009.

Den amerikanske justitsminister Eric Holder Jr. blev for nylig citeret i nyhedsrapporter for at have "ekstrem, ekstrem bekymring" over yemenitiske bombeproducenter, der går sammen med syriske militante for at udvikle disse svære at opdage bomber, som kan skjules i mobiltelefoner og mobile enheder.

"PETN har flere nitrofunktionelle grupper og er mere elektronmangel end den DNT, vi opdagede i vores eksperimenter, så følsomheden af ​​vores enhed burde være endnu højere end med DNT, " sagde mor.

Seneste generation af plasmonsensorer

Sensoren repræsenterer den seneste milepæl inden for overfladeplasmonsensorteknologi, som nu bruges på det medicinske område til at opdage biomarkører i de tidlige stadier af sygdom.

Evnen til at øge følsomheden af ​​optiske sensorer var traditionelt blevet begrænset af diffraktionsgrænsen, en begrænsning i fundamental fysik, der fremtvinger en afvejning mellem, hvor længe og hvor lille lys der kan fanges. Ved at koble elektromagnetiske bølger med overfladeplasmoner, de oscillerende elektroner fundet på overfladen af ​​metaller, forskere var i stand til at presse lys ind i nanostørrelser, men det var udfordrende at opretholde den indelukkede energi, fordi lys har en tendens til at spredes ved et metals overflade.

Den nye enhed bygger på tidligere arbejde med plasmonlasere fra Zhangs laboratorium, der kompenserede for denne lyslækage ved at bruge reflektorer til at hoppe overfladeplasmonerne frem og tilbage inde i sensoren – svarende til den måde, lydbølger reflekteres henover rummet i et hviskende galleri – og at bruge den optiske forstærkning fra halvlederen til at forstærke lysenergien.

Zhang sagde, at den forstærkede sensor skaber et meget stærkere signal end de passive plasmonsensorer, der er tilgængelige i øjeblikket. som virker ved at detektere forskydninger i lysets bølgelængde. "Forskellen i intensitet svarer til at gå fra en pære til en bordlampe til en laserpointer, " sagde han. "Vi skaber et skarpere signal, som gør det nemmere at opdage endnu mindre ændringer for små spor af eksplosivstoffer i luften."