Ultrafølsom sensor ved hjælp af N-doteret grafen

En meget følsom kemisk sensor baseret på Raman-spektroskopi og ved hjælp af nitrogendoperet grafen som substrat blev udviklet af et internationalt team af forskere, der arbejder i Penn State. I dette tilfælde, doping refererer til indføring af nitrogenatomer i grafens carbonstruktur. Denne teknik kan detektere spormængder af molekyler i en opløsning ved meget lave koncentrationer, nogle 10, 000 gange mere fortyndet, end det kan ses med det blotte øje.

Raman-spektroskopi er en udbredt identifikationsteknik, der bruges i kemi, materialevidenskab og den farmaceutiske industri til at detektere de unikke interne vibrationer af forskellige molekyler. Når et laserlys bestråler krystaller eller molekyler, det spreder og skifter farver. Det spredte lys kan detekteres i form af et Raman-spektrum, som fungerer næsten som et fingeraftryk for ethvert Raman-aktivt bestrålet system.

"I bund og grund, forskellige farver i det synlige spektrum vil være forbundet med forskellige energier, "sagde Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi og materialevidenskab ved Penn State, der ledede forskningen. "Forestil dig, at hvert molekyle har en bestemt lysfarveemission, nogle gange gul, nogle gange grønt. Denne farve er forbundet med en diskret energi. "

Holdet valgte tre typer fluorescerende farvestofmolekyler til deres eksperimenter. Fluorescerende farvestoffer, som ofte bruges som markører i biologiske forsøg, er særligt svære at opdage ved Raman -spektroskopi, fordi fluorescensen har en tendens til at vaske signalet ud. Imidlertid, når farvestoffet tilsættes grafen- eller N-dopet grafensubstrat, fotoluminescensen – fluorescensen – slukkes.

På egen hånd, Raman-signalet er så svagt, at mange metoder er blevet brugt til at forbedre signalet. En nyligt udviklet forbedringsteknik bruger uberørt grafen som et substrat, som kan forstærke Raman -signalet med flere størrelsesordener. I et papir offentliggjort online i dag (22. juli) i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , Terrones og kolleger afslørede, at tilføjelse af nitrogenatomer til den uberørte grafen yderligere øger følsomheden og, vigtigt, de gav en teoretisk forklaring på, hvordan grafen og N-doteret grafen forårsager forbedringen.

"Ved at kontrollere nitrogen-doping kan vi flytte energigabet i grafen, og skiftet skaber en resonanseffekt, der markant forbedrer molekylets vibrationelle Raman-tilstande, " sagde hovedforfatter Simin Feng, en kandidatstuderende i Terrones' gruppe.

"Dette er grundforskning, " sagde Ana Laura Elias, en medforfatter og forskningsassistent i Terrones 'laboratorium. "Det er svært at kvantificere forbedringen, fordi den vil være forskellig for hvert materiale og lysfarve. Men i nogle tilfælde, vi går fra nul til noget, vi kan opdage for første gang. Du kan se en masse funktioner og studere en masse fysik derefter. For mig er det vigtigste aspekt af dette arbejde vores forståelse af fænomenet. Det vil føre til forbedringer i teknikken."

Terrones tilføjede, "Vi udførte et omfattende teoretisk og eksperimentelt arbejde. Vi kom med en forklaring på, hvorfor nitrogen-doteret grafen virker meget bedre end almindelig grafen. Jeg synes, det er et gennembrud, fordi vi i vores papir forklarer mekanismen til at detektere visse molekyler."

På grund af grafens kemiske inertitet og biokompatibilitet, holdet forventer, at den nye teknik vil være effektiv til at detektere spormængder af organiske molekyler. Elias er begejstret for udsigten til at kombinere teknikken med tilgængelige bærbare Raman-spektrometre, der kan tages til fjerntliggende steder for at detektere, for eksempel, farlige vira. De fluorescerende farvestoffer, de undersøgte, vil gøre det hurtigt og nemt at se tilstedeværelsen af ​​forbindelser inde i biologiske celler. Fordi teknikken er enkel – du skal blot dyppe grafensubstratet i en opløsning i en kort periode – burde det være muligt at skabe et helt bibliotek af Raman-spektret af specifikke molekyler, Sagde Terrones.

Forskere fra Brasilien, Kina og Japan bidrog til dette arbejde, mens de besøgte Terrones -laboratoriet i Penn State. Artiklen har titlen "Ultrasensitive Molecular Sensor Using N-doped Graphene through Enhanced Raman Scattering."