En ny metod gör det möjligt att skapa kompakta enheter som exakt bestämmer molekylär sammansättning av en vätska eller gas, och hjälpa till att identifiera potentiellt farliga kemiska föreningar. Resultaten av det arbete som utförts av forskare från ITMO University och Ben-Gurion University of the Negev, Israel har publicerats i Nanomaterial .

I dag, mer och mer uppmärksamhet ägnas åt kvaliteten på luft och vatten och kontrollen av eventuella skadliga föreningar de kan innehålla. Även en liten koncentration av sådana föreningar kan ha en oerhört negativ effekt på människors och djurs hälsa. Vi behöver komplex utrustning för att övervaka ämnenas kemiska sammansättning och identifiera specifika föreningar. Den mest utbredda av de tidigare tillämpade metoderna är vibrationsspektroskopi.

"Med vibrationsspektroskopi, du kan enkelt lära dig molekylkompositionen för alla ämnen som du tidigare inte känner till, "förklarar Daler Dadadzhanov, Doktorand vid ett gemensamt program vid ITMO University och Ben-Gurion University of the Negev, Israel, forskningsassistent vid International Research and Education Center for Physics of Nanostructures. "Det fungerar så här:vi har en okänd substans som består av ett antal atomer som interagerar med varandra; en aminogrupp, till exempel, har väte- och kväveatomer. När den utsätts för ljusstrålning, dessa atomer börjar svänga, absorberar en viss mängd energi medan de håller på. Som ett resultat, den utgående energin blir mindre. Frekvensen vid vilken energin absorberades, kan användas för att bestämma de funktionella atomgrupperna en molekyl består av. Sedan, ett "molekylärt ID" kan skapas som sedan kan användas av en detektor när den bestämmer vilken typ av substans den presenterades för. "

Spektrometrarna som används idag fungerar vanligtvis i det mellersta infraröda spektralområdet, med en våglängd på 2,5-25 mikrometer. I detta intervall, skillnaderna mellan energin i infallande ljus och energin som redan passerat ämnet kan lätt definieras och analyseras. Analysatorerna som arbetar inom detta område, dock, är relativt stora och besvärliga, liksom ganska dyrt. Dessutom, vissa band i det mellersta infraröda spektrumet är så intensiva, som de som är anslutna till väteatomernas vibrationer i en OH -grupp, att de leder till total energiabsorption vid upptäckt av små mängder ämnen. Dessa band är orsaken till svårigheter vid tolkning av andra karakteristiska vibrationsband i absorptionsspektrumet.

Systemet kan göras flera gånger mindre, om den inte kunde fungera i mitten av infrarött utan i det nära infraröda spektrumet i överensstämmelse med kortvågig strålning. Det nära-infraröda spektrumet studeras mycket mer än det mellersta infraröda-mestadels för att det används av moderna telekomsystem.

"Den största fördelen med det nära-infraröda spektrumet är att det idag finns mycket energieffektiva och högkvalitativa enheter för kontinuerlig strålning och pålitliga detektorer, "kommenterar Dadadzhanov." De är billigare än de som används i det mellersta infraröda sortimentet och är mer kompakta. Således, utrustningen för mitten av infrarött spektrum kan vara 1,5 x 1,5 meter stor, medan den nära infraröda kunde passa på en mänsklig handflata. "

Dock, det finns ett problem - att göra våglängden kortare innebär att skillnaden mellan den inkommande och utgående energin blir för liten för att lätt kunna upptäckas. Som ett resultat, en större mängd ämne behövs för analys av god kvalitet, vilket riskerar att komprimera enheten. Vidare, många sensorer syftar till att upptäcka okända ämnen med marginellt små koncentrationer, såsom giftiga molekyler. Uppgiften blir svårare i det nära infraröda spektrumet.

Innan du skapar en analysator baserad på nära-infrarött vibrationsspektroskopi, forskare måste hitta ett sätt att förstärka den signal som tas emot på grund av skillnaden mellan inkommande och utgående energi. Detta var vad forskarna från Ben-Gurion University of the Negev, Israel under ledning av Dr Alina Karabchevsky och deras kollegor från ITMO University arbetade med.

"I vårt papper, vi föreslår följande design:på en bas av ett transparent dielektrikum, tycka om, till exempel, borsilikatglas, en periodisk uppsättning guld nanoparallelepipeder bildas. Sådana strukturer kan förvärvas med elektronstråle litografi, "fortsätter Dadadzhanov." Efter det, vi täcker substratet med ett tunt lager av det studerade ämnet och registrerar provets transmittansspektrum, som är betingad av kombinerad excitation av plasmonisk resonans i guldnanopartiklar och molekylära vibrationer (övertoner) av det studerade ämnet. Guld -nanoparallelpipeder i den föreslagna formen har sin plasmoniska resonans i exakt samma område av spektrumet där de studerade molekylerna har sina absorptionsband. Dessutom, i närheten av en metallyta förstärks det elektromagnetiska fältet starkt. Därför, detta ökar den föreslagna sensorkänsligheten. "

Papperet som publicerats är teoretiskt - med forskning som utförts på numeriska modeller. Nästa etapp, därför, blir att genomföra faktiska experiment för att skapa sådana system under laboratorieförhållanden.