En teknik som kombinerar ultrakänsligheten hos ytförstärkt Raman-spridning (SERS) med en hal yta som uppfunnits av forskare från Penn State kommer att göra det möjligt att detektera enstaka molekyler av ett antal kemiska och biologiska arter från gasformiga, flytande eller fasta prover. Denna kombination av hala ytor och laserbaserad spektroskopi kommer att öppna nya tillämpningar inom analytisk kemi, molekylär diagnostik, miljöövervakning och nationell säkerhet.

Forskarna, ledd av Tak-Sing Wong, biträdande professor i maskinteknik och Wormley Family Early Career Professor in Engineering, kalla deras uppfinning SLIPSERS, som är en kombination av Wongs hala vätskeinfunderade porösa ytor (SLIPS), en biologiskt inspirerad yta baserad på den asiatiska kannaväxten, och SERS.

"Vi har försökt utveckla en sensorplattform som gör att vi kan detektera kemikalier eller biomolekyler på en molekylnivå oavsett om de är dispergerade i luft, flytande fas, eller bunden till ett fast ämne, "Wong sa. "Att kunna identifiera en enda molekyl är redan ganska svårt. Att kunna detektera dessa molekyler i alla tre faserna, det är verkligen utmanande."

Wong behövde hjälp av postdoktor Shikuan Yang för att kombinera SERS och SLIPS till en enda process. Yang utbildades i Raman-spektroskopi i karakteriseringslaboratoriet vid Penn State's Materials Research Institute. Hans expertis inom SERS-tekniken och Wongs kunskap om SLIPS gjorde det möjligt för dem att utveckla SLIPSERS-tekniken. Deras arbete dök upp online den 31 december, 2015 i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Ramanspektroskopi är en välkänd metod för att analysera material i flytande form med hjälp av en laser för att interagera med de vibrerande molekylerna i provet. Molekylens unika vibration förskjuter fotonernas frekvens i laserljusstrålen uppåt eller nedåt på ett sätt som är karakteristiskt för endast den typen av molekyl. Vanligtvis, Raman-signalen är mycket svag och måste förbättras på något sätt för upptäckt. På 1970-talet forskare fann att kemisk uppruggning av ytan på ett silversubstrat koncentrerade Raman-signalen från materialet som adsorberats på silvret, och SERS föddes.

Wong utvecklade SLIPS som postdoktor vid Harvard University. SLIPS är sammansatt av en yta belagd med regelbundna uppsättningar av nanoskaliga stolpar infunderade med ett flytande smörjmedel som inte blandas med andra vätskor. Det lilla avståndet mellan nanostolparna fångar vätskan mellan stolparna och resultatet blir en hal yta som ingenting fäster på.

"Problemet är att försöka hitta några molekyler i ett flytande medium är som att försöka hitta en nål i en höstack, " sa Wong. "Men om vi kan utveckla en process för att gradvis krympa storleken på denna vätskevolym, vi kan få en bättre signal. För att göra det behöver vi en yta som gör att vätskan kan avdunsta jämnt tills den når mikro- eller nanoskala. Andra ytor kan inte göra det, och det är där SLIPS kommer in."

Om en droppe vätska placeras på en normal yta, det kommer att börja krympa uppifrån och ner. När vätskan avdunstar, målmolekylerna lämnas i slumpmässiga konfigurationer med svaga signaler. Men om alla molekylerna kan samlas bland guldnanopartiklarna, de kommer att producera en mycket stark Raman-signal.

"Först måste vi använda ledande nanopartiklar, som guld, Shikuan Yang förklarade. "Och sedan måste vi sätta ihop dem så att de skapar nanoskala mellan partiklarna, kallas hot spots. Molekylerna binder till mellanrummen och ett mycket starkt elektromagnetiskt fält bildas. Om vi ​​har en laser med rätt våglängd, elektronerna kommer att oscillera och ett starkt magnetfält bildas i gapområdet. Det här ger oss en mycket stark signal."

Även om det finns andra tekniker som gör att forskare kan koncentrera molekyler på en yta, dessa tekniker fungerar oftast med vatten som medium. SLIPS kan användas med vilken organisk vätska som helst.

"Vår teknik öppnar upp större möjligheter för människor att använda andra typer av lösningsmedel för att göra SERS-detektion av en enda molekyl, såsom miljödetektering i jordprover, " sa Yang. "Om du bara kan använda vatten, det är väldigt begränsande. "Inom biologi, forskare kanske vill upptäcka en enstaka basparsfel i DNA. Vår plattform kommer att ge dem den känsligheten."

Ett av nästa steg kommer att vara att upptäcka biomarkörer i blod för sjukdomsdiagnos i de mycket tidiga stadierna av cancer när sjukdomen är lättare att behandla.

"Vi har upptäckt ett vanligt protein, men har inte upptäckt cancer än, " sa Yang.

Även om SLIPS-tekniken är patenterad och licensierad, teamet har inte sökt patentskydd på sitt SLIPSERS-arbete.

"Vi tror att genom att erbjuda denna teknik till allmänheten kommer den att utvecklas i en mycket snabbare takt, ", sa professor Wong. "Detta är en kraftfull plattform som vi tror att många kommer att dra nytta av."