Lawrence Livermore National Laboratory-forskare kan ha hittat ett sätt att förbättra Raman-spektroskopin som ett verktyg för att identifiera ämnen i extremt låga koncentrationer. Potentiella tillämpningar för Raman-spektroskopi inkluderar medicinsk diagnos, utveckling av läkemedel/kemikalier, kriminalteknik och mycket bärbara detektionssystem för nationell säkerhet.
Förmågan att identifiera molekyler i låga koncentrationer med stor specificitet och ge icke-invasiv, oförstörande mätningar har lett till den ökande användningen av Raman-spektroskopi som en accepterad analysteknik. Men en brist med denna teknik har varit dess brist på känslighet och tillförlitlighet vid extremt låga koncentrationer.
Ramanspektroskopi består av att observera spridningen av ljus, vanligtvis från en laser, genom molekyler av ett genomskinligt ämne. Skillnaden i våglängd för spritt ljus och infallande ljus kan ge detaljerad information om ämnets natur.
"Raman-spridning ger ett fint fingeravtryck av material av intresse för nationell säkerhet, " sa Tiziana Bond från LLNL:s Center for Micro and Nano Technology.
Bond och hennes grupp utvecklar ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS), en metod som ökar känsligheten i storleksordningar genom att förbättra signalerna. Samtidigt som de visar stor potential, substraten som används för SERS, typiskt ruggade metallytor, har gett variabla signaler övervägda, hittills, opålitliga. Den uppruggade ytan förbättrar molekylens interaktion med metallen. Utmaningen har varit att hitta ett sätt att skapa ett substrat med enhetliga topografiska egenskaper som ger konsekventa signalförbättringar.
En del av detta arbete beskrivs i en artikel publicerad i september 2010-upplagan av Nanoteknik berättigad " Rigorös ytförbättrad Raman-spektral karaktärisering av stort område, Hög enhetlighet, Silverbelagda avsmalnande silikananopelare , " som publicerades av Bond och hennes grupp i samarbete med forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign.
Förbättrade nanotekniker och tillverkningsmetoder för halvledartillverkning har möjliggjort produktion av SERS-substrat - basskiktet eller texturen på 4- till 6-tums wafers - som är mer tillförlitliga. Nyckeln är substrat med "reproducerbarhet" tillräcklig för tillförlitlig analys. LLNL-forskare har arbetat med flera tekniker för att uppnå ett mer robust och enhetligt substrat som bibehåller hög känslighet och reproducerbarhet.
Elektromagnetiska och kemiska förbättringar är två faktorer som påverkar SERS total förbättring (med avseende på Raman). Den första är starkare och står för 106-108 magnitudförbättringar, medan den andra vanligtvis är ansvarig för 10-100 faktorer. För att utnyttja de elektromagnetiska effekterna, de metalliska nanostrukturerna måste utformas på rätt sätt.
I en artikel med titeln " Plasmonresonantkaviteter i vertikala nanotrådarrayer " publicerad i Nanobokstäver tidigare i år, Bonds grupp, undersöka en innovativ design med ett vertikalt guldbelagt nanotrådssubstrat som skulle ge stark och kontrollerbar förbättring. LLNL-teamets innovation är tillverkningen av "avstämbara" plasmonresonanshåligheter i de vertikala trådarrayerna - kaviteter är utrymmet mellan de vertikala trådarna. Mihail Bora, en postdoc som gick med i Bonds grupp för ett år sedan, är starkt involverad i denna del av projektet och förklarar att ytplasmoner är elektromagnetiska vågor som liknar ljus, förutom att de är begränsade till metalliska ytor. Inställning av plasmonresonans uppnås genom att kontrollera kavitetens geometriska dimensioner.
De introducerar den minsta optiska resonanshåligheten som är tusentals gånger mindre än ljusets våglängd och visade att det är möjligt att gå bortom denna diffraktionsgräns genom att använda ytplasmoner. Resonantkaviteter används för närvarande för ytförstärkt Raman-spektroskopi för att detektera kemiska analyter (koncentration). "Genom att begränsa ljuset i så trånga utrymmen kan vi skapa intensiva fält som är användbara för att öka spektroskopisignalen, " sa Bond.
Dessa designegenskaper erbjuder ett antal fördelar. Till exempel, det gör att känsligheten hos substraten kan justeras, eller anpassad, till olika våglängder vilket ger forskare större mångsidighet.
Bland möjliga tillämpningsförlängningar av det plasmoniska substratet utöver förbättringen av SERS är att möjliggöra demonstration av plasmoniska lasrar med subvåglängd, och bredbandiga nanoantenner för solceller genom att leka med geometrifaktorer.
Gruppens arbete har finansierats av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) och LLNL:s Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program.
