Använda kolnanorör, ett forskargrupp som leds av professor Hyung Gyu Park i samarbete med Dr Tiziana Bond har utvecklat en sensor som kraftigt förstärker känsligheten hos vanliga men vanligtvis svaga vibrationsspektroskopiska metoder, såsom Raman -spektroskopi. Denna typ av sensor gör det möjligt att detektera molekyler som finns i de minsta koncentrationerna.

Forskare vid ETH Zürich och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Kalifornien har utvecklat en innovativ sensor för ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS). Tack vare dess unika ytegenskaper i nanoskala, metoden kan användas för att utföra mer pålitliga analyser, känsliga och kostnadseffektiva. I experiment med den nya sensorn, forskarna kunde upptäcka en viss organisk art (1, 2bis (4-pyridyl) eten, eller BPE) i en koncentration av några hundra femtomol per liter. En 100 femtomolär lösning innehåller cirka 60 miljoner molekyler per liter.

Tills nu, detektionsgränsen för vanliga SERS -system var i nanomolärt område, dvs en miljarddels mol. Resultaten av en studie utförd av Hyung Gyu Park, Professor i energiteknik vid ETH Zürich, och Tiziana Bond, Capability Leader på LLNL, publicerades i veckan som en omslagsartikel i den vetenskapliga tidskriften Avancerade material .

Ramanspektroskopi drar fördel av det faktum att molekyler upplysta av fastfrekvent ljus uppvisar '' oelastisk '' spridning som är nära besläktad med vibrations- och rotationslägen som exciteras i molekylerna. Ramans spridda ljus skiljer sig från vanligt Rayleigh -spritt ljus genom att det har andra frekvenser än det bestrålande ljuset och ger ett specifikt frekvensmönster för varje undersökt ämne, gör det möjligt att använda denna spektruminformation som ett fingeravtryck för att upptäcka och identifiera specifika ämnen. För att analysera enskilda molekyler, frekvenssignalerna måste förstärkas, som kräver att molekylen i fråga antingen är närvarande i en hög koncentration eller ligger nära en metallisk yta som förstärker signalen. Därav namnet på metoden:ytförstärkt Raman-spektroskopi.

Förstärkta signaler för förbättrad reproducerbarhet

"Denna teknik har funnits i decennier, "förklarar Ali Altun, en doktorand i gruppen som leds av Park vid Institute of Energy Technology. Med dagens SERS -sensorer, dock, signalstyrkan är tillräcklig endast i isolerade fall och ger resultat med låg reproducerbarhet. Altun, Bond och Park sätter sig därför i mål att utveckla en sensor som massivt förstärker signalerna från det Raman-spridda ljuset.

Det valda underlaget visade sig vara vertikalt placerat, medhjälpare, tätt packade kolnanorör (CNT) som garanterar denna höga densitet av "hot spots". Gruppen utvecklade tekniker för att odla täta CNT -skogar på ett enhetligt och kontrollerat sätt. Tillgängligheten av denna expertis var en av de främsta motiveringarna för att använda nanorör som grund för mycket känsliga SERS -sensorer, säger Park.

En spagettiliknande yta

Spetsarna på CNT är kraftigt böjda, och forskarna belagde dessa spetsar med guld och hafniumdioxid, ett dielektriskt isolerande material. Kontaktpunkten mellan sensorns yta och provet liknar således en tallrik med spaghetti toppad med sås. Dock, mellan spagettisträngarna, det finns många slumpmässigt arrangerade hål som släpper igenom spritt ljus, och de många kontaktpunkterna - ”hot spots” - förstärker signalerna.

"En metod för att göra mycket känsliga SERS -sensorer är att dra nytta av kontaktpunkterna för metallnanotrådar, "förklarar Park. Nano-spaghettistrukturen med metallbelagda CNT-tips är perfekt för att maximera densiteten hos dessa kontaktpunkter.

Verkligen, Bond förklarar, den breda spridningen av metalliska nano-sprickor i nanometerområdet, välkänd för att vara ansvarig för extrem elektromagnetisk förbättring (eller hotspots) och mycket eftersträvad av många forskargrupper, har lätt och lätt uppnåtts av laget, vilket resulterar i intensiva och reproducerbara förbättringar.

Sensorn skiljer sig från andra jämförbara ultrakänsliga SERS-sensorer, inte bara vad gäller dess struktur, men också på grund av dess relativt billiga och enkla produktionsprocess och den mycket stora ytan på 3D -strukturerna som ger en intensiv, enhetlig signal.

Ett genombrott på två nivåer

Initialt, forskarna belagde bara spetsarna på CNT:erna med guld. De första experimenten med BPE -testmolekylen visade dem att de var på rätt väg, men att detektionsgränsen inte kunde reduceras till den grad de hade hoppats. Så småningom, de upptäckte att de elektroner som krävs på guldskiktsytan för att generera det som kallas plasmonresonans flödade ut via de ledande kolnanorören. Uppgiften var då att ta reda på hur man kan förhindra detta plasmoniska energiläckage.

Forskarna belagde CNT:erna med hafniumoxid, ett isolerande material, innan du applicerar ett lager guld. "Detta var genombrottet, "säger Altun. Isoleringsskiktet ökade sensorsubstratets känslighet med en faktor 100, 000 i molkoncentrationsenheten.

"För oss som forskare, detta var ett ögonblick av triumf, "instämmer Park, "och det visade oss att vi hade gjort rätt hypotes och en rationell design."

Nyckeln till en framgångsrik utveckling av sensorn var därför tvåfaldig:å ena sidan det var deras beslut att fortsätta använda CNT, vars morfologi är avgörande för att maximera antalet "hot spots", och å andra sidan, det var det faktum att dessa nanorör var dubbelbelagda.

Park och Bond skulle nu vilja gå ett steg längre och föra ut sin nya princip på marknaden, men de söker fortfarande en branschpartner. Nästa, de vill fortsätta att förbättra sensorns känslighet, och de letar också efter potentiella användningsområden. Park föreställer sig installation av tekniken i bärbara enheter, till exempel för att underlätta analys på plats av kemiska föroreningar som miljöföroreningar eller läkemedelsrester i vatten. Han betonar att uppfinning av en ny anordning inte är nödvändig. det är enkelt att installera sensorn på ett lämpligt sätt.

Andra potentiella tillämpningar inkluderar rättsmedicinska undersökningar eller militära ansökningar för tidig upptäckt av kemiska eller biologiska vapen, biomedicinsk applikation för övervakning av fysiologiska nivåer i realtid, och snabb screening av droger och gifter inom området brottsbekämpning.