Ny nanoteknologi identificerer kemisk sammensætning og struktur af urenheder i luft, flydende og levende væv

Ved at bruge konventionelle testteknikker kan det være udfordrende - nogle gange umuligt - at opdage skadelige forurenende stoffer som nanoplastik, luftforurenende stoffer og mikrober i levende organismer og naturlige materialer. Disse forurenende stoffer findes nogle gange i så små mængder, at test ikke er i stand til pålideligt at opfange dem.

Dette kan dog snart ændre sig. Ny nanoteknologi (baseret på en "snoet" lystilstand) lover at gøre det lettere at identificere den kemiske sammensætning af urenheder og deres geometriske form i prøver af luft, væske og levende væv.

Et internationalt hold af forskere ledet af fysikere ved University of Bath bidrager til denne teknologi, som kan bane vejen for nye miljøovervågningsmetoder og avanceret medicin. Deres arbejde er publiceret i tidsskriftet Advanced Materials .

Den nye kemiske detektionsteknik er baseret på en lys-stof-interaktion kendt som Raman-effekten. Raman-effekten opstår, når et materiale, der er oplyst ved en bestemt lysfarve, spreder sig og ændrer lyset til et væld af lidt forskellige farver. Det producerer i det væsentlige en mini-regnbue, der er afhængig af, hvordan atomer i materialer vibrerer.

Måling af Raman-regnbuens farver afslører individuelle atombindinger, fordi molekylære bindinger har distinkte vibrationsmønstre. Hver binding i et materiale producerer sin egen unikke farveændring i forhold til belysningens. Sammenlagt tjener farverne i Raman-regnbuen til at detektere, analysere og overvåge den kemiske sammensætning (kemiske bindinger) af komplekse molekyler, såsom dem, der findes i blandinger af miljøforurenende stoffer.

"Raman-effekten tjener til at detektere pesticider, lægemidler, antibiotika, tungmetaller, patogener og bakterier. Den bruges også til at analysere individuelle atmosfæriske aerosoler, der påvirker menneskers sundhed og klimaet," siger Dr. Robin Jones fra Fysikafdelingen i Bath, hvem er den første forfatter til undersøgelsen.

Skadelige forurenende stoffer

Medforfatter professor Liwu Zhang fra Institut for Miljøvidenskab ved Fudan Universitet i Kina sagde i udvidelsen:"Vandforurenende stoffer, selv i spormængder, kan ophobes i levende organismer gennem den biologiske kæde. Dette udgør en trussel mod menneskers sundhed, dyrevelfærd og dyreliv Generelt er det virkelig svært at vide præcis, hvad den kemiske sammensætning af komplekse blandinger er."

Professor Ventsislav Valev fra Bath, der ledede undersøgelsen, tilføjede:"Det er nødvendigt at forstå komplekse, potentielt skadelige forurenende stoffer i miljøet, så vi kan lære at nedbryde dem til harmløse komponenter. Men det handler ikke kun om, hvilke atomer de er. Den måde, atomerne er arrangeret på, betyder meget - det kan være afgørende for, hvordan molekyler virker, især i levende organismer.

"Vores arbejde sigter mod at udvikle nye måder, hvorpå Raman-effekten kan fortælle os om den måde, atomer er arrangeret i rummet, og nu har vi taget et vigtigt teknologisk skridt ved hjælp af bittesmå spiralformede antenner lavet af guld."

Raman-effekten er meget svag - kun én ud af 1.000.000 fotoner (lyspartikler) gennemgår farveændringen. For at forbedre det bruger forskere miniatureantenner fremstillet i nanoskala, der kanaliserer det indfaldende lys ind i molekylerne. Ofte er disse antenner lavet af ædelmetaller, og deres design er begrænset af nanofabrikationsevner.

Holdet hos Bath brugte de mindste spiralformede antenner, der nogensinde er blevet brugt:deres længde er 700 gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår, og antennernes bredde er 2.800 gange mindre. Disse antenner blev lavet af guld af forskere i teamet af professor Peer Fischer ved universitetet i Stuttgart i Tyskland.

"Vores målinger viser, at disse spiralformede antenner hjælper med at få en masse Raman-regnbuefotoner ud af molekyler," sagde Dr. Jones. "Men endnu vigtigere er det, at den spiralformede form øger forskellen mellem to typer lys, der ofte bruges til at undersøge geometrien af ​​molekyler. Disse er kendt som cirkulært polariseret lys.

"Cirkulært polariseret lys kan være venstrehåndet eller højrehåndet, og vores helixer kan dybest set håndtryk med lys. Og fordi vi kan få helixerne til at dreje til venstre eller højre, kan håndtrykket med lys, som vi har udtænkt, være begge dele. med venstre eller højre hånd."

"Selvom sådanne håndtryk er blevet observeret før, er det vigtigste fremskridt her, at vi for første gang demonstrerer, at det mærkes af molekyler, da det påvirker deres Raman-regnbue. Dette er et vigtigt skridt, der vil give os mulighed for at skelne effektivt og pålideligt mellem venstre- og højrehåndede molekyler, først i laboratoriet og derefter i miljøet."

Krystalviolet

For at demonstrere, at det nye håndtryk mellem lys og antenner kunne overføres til molekyler, gjorde forskerne brug af molekyler - krystalviolet - som ikke er i stand til at 'håndtryk' med lys af sig selv. Alligevel opførte disse molekyler sig, som om de kunne udføre denne funktion, og udtrykte evnen til at "håndtrykke" guld nanohelices, som de var knyttet til.

"Et andet vigtigt aspekt af vores arbejde her er, at vi arbejdede med to industrielle partnere," sagde professor Valev. "VSParticle producerer standard nanomaterialer til måling af Raman-lys. At have fælles standarder er virkelig vigtigt for forskere over hele verden for at kunne sammenligne resultater."

Han tilføjede, "Vores industrielle partner Renishaw PLC er en verdensførende producent af Raman-spektroskopi- og mikroskopiudstyr. Sådanne partnerskaber er essentielle, så ny teknologi kan bevæge sig ud af laboratorierne og ind i den virkelige verden, hvor de miljømæssige udfordringer er. "

Med udgangspunkt i dette arbejde arbejder teamet nu på at udvikle mere avancerede former for Raman-teknologier.

Flere oplysninger: Robin R. Jones et al., Dense Arrays of Nanohelices:Raman Scattering from Achiral Molecules Reveals the Near-Field Enhancements at Chiral Metasurfaces, Advanced Materials (2023). DOI:10.1002/adma.202209282

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af University of Bath