Ny teknik under utveckling vid University of California, Berkeley, kan snart ge bombsniffande hundar lite seriös konkurrens.

Ett team av forskare ledd av Xiang Zhang, UC Berkeley professor i maskinteknik, har hittat ett sätt att dramatiskt öka känsligheten hos en ljusbaserad plasmonsensor för att upptäcka otroligt små koncentrationer av sprängämnen. De noterade att det potentiellt skulle kunna användas för att sniffa upp en svårupptäckt explosiv som är populär bland terrorister.

Deras resultat ska publiceras på söndag, 20 juli, i tidskriftens avancerade onlinepublikation Naturens nanoteknik .

De satte sensorn på prov med olika sprängämnen – 2, 4-dinitrotoluen (DNT), ammoniumnitrat och nitrobensen – och fann att enheten framgångsrikt upptäckte de luftburna kemikalierna i koncentrationer av 0,67 delar per miljard, 0,4 delar per miljard och 7,2 delar per miljon, respektive. En del per miljard skulle vara likt ett grässtrå på en fotbollsplan.

Forskarna noterade att detta är mycket känsligare än de publicerade resultaten hittills för andra optiska sensorer.

"Optiska explosiva sensorer är mycket känsliga och kompakta, sa Zhang, som också är chef för Materials Science Division vid Lawrence Berkeley National Laboratory och chef för National Science Foundation Nanoscale Science and Engineering Center vid UC Berkeley. "Förmågan att förstora ett så litet spår av ett sprängämne för att skapa en detekterbar signal är en stor utveckling inom plasmonsensorteknologi, vilket är ett av de mest kraftfulla verktygen vi har idag."

Den nya sensorn kan ha många fördelar jämfört med nuvarande bombscreeningsmetoder.

"Bombsniffande hundar är dyra att träna och de kan bli trötta, " sa studiens medledare Ren-Min Ma, en biträdande professor i fysik vid Pekings universitet som gjorde detta arbete när han var postdoktor i Zhangs labb. "Det andra vi ser på flygplatser är användningen av svabbar för att leta efter explosiva rester, men de har relativt låg känslighet och kräver fysisk kontakt. Vår teknik kan leda till ett bombdetekterande chip för en handhållen enhet som kan upptäcka den lilla ångan i luften från sprängämnets små molekyler."

Sensorn skulle också kunna utvecklas till ett larm för oexploderade landminor som annars är svåra att upptäcka, sa forskarna. Enligt FN, landminor dödar 15, 000 till 20, 000 personer varje år. De flesta av offren är barn, kvinnor och äldre.

Instabil och sugen på elektroner

Plasmonsensorn i nanoskala som används i laboratorieexperimenten är mycket mindre än andra explosiva detektorer på marknaden. Den består av ett skikt av kadmiumsulfid, en halvledare, läggs ovanpå ett silverark med ett lager magnesiumfluorid i mitten.

Vid utformningen av enheten, forskarna utnyttjade den kemiska sammansättningen av många sprängämnen, speciellt nitroföreningar som DNT och dess mer välkända släkting, TNT. Inte bara gör de instabila nitrogrupperna kemikalierna mer explosiva, de har också karakteristiskt elektronbrist, sa forskarna. Denna kvalitet ökar interaktionen mellan molekylerna och naturliga ytdefekter på halvledaren. Enheten fungerar genom att detektera den ökade intensiteten i ljussignalen som uppstår som ett resultat av denna interaktion.

Potentiell användning för att känna av svårupptäckt sprängämne

"Vi tror att högre elektronbrist hos sprängämnen leder till en starkare interaktion med halvledarsensorn, " sa studiens medledare Sadao Ota, en före detta Ph.D. student i Zhangs labb som nu är biträdande professor i kemi vid University of Tokyo.

På grund av detta, forskarna hoppas på att deras plasmonlasersensor kan detektera pentaerytritoltetranitrat, eller PETN, en explosiv förening som anses vara en favorit bland terrorister. Små mängder av det ger en kraftfull kraft, och eftersom det är plast, den slipper röntgenapparater när den inte är ansluten till sprängkapslar. Det är sprängämnet som hittades i Richard Reids skobomb 2001 och Umar Farouk Abdulmtallabs underklädesbomb 2009.

USA:s justitieminister Eric Holder Jr. citerades nyligen i nyhetsrapporter för att ha "extrem, extrem oro" över att jemenitiska bombtillverkare går samman med syriska militanter för att utveckla dessa svårupptäckta bomber, som kan döljas i mobiltelefoner och mobila enheter.

"PETN har fler nitrofunktionella grupper och är mer elektronbrist än DNT vi upptäckt i våra experiment, så känsligheten hos vår enhet borde vara ännu högre än med DNT, " sa mamma.

Senaste generationen plasmonsensorer

Sensorn representerar den senaste milstolpen inom ytplasmonsensorteknologi, som nu används inom det medicinska området för att upptäcka biomarkörer i tidiga sjukdomsstadier.

Möjligheten att öka känsligheten hos optiska sensorer hade traditionellt sett begränsats av diffraktionsgränsen, en begränsning i fundamental fysik som tvingar fram en avvägning mellan hur länge och hur litet ljus som kan fångas in. Genom att koppla elektromagnetiska vågor med ytplasmoner, de oscillerande elektronerna som finns på ytan av metaller, forskare kunde pressa in ljus i nanostora utrymmen, men att upprätthålla den begränsade energin var utmanande eftersom ljus tenderar att skingras på en metalls yta.

Den nya enheten bygger på tidigare arbete med plasmonlasrar från Zhangs labb som kompenserade för detta ljusläckage genom att använda reflektorer för att studsa ytplasmonerna fram och tillbaka inuti sensorn – liknande hur ljudvågor reflekteras över rummet i ett viskande galleri – och att använda den optiska förstärkningen från halvledaren för att förstärka ljusenergin.

Zhang sa att den förstärkta sensorn skapar en mycket starkare signal än de passiva plasmonsensorer som för närvarande finns tillgängliga, som fungerar genom att detektera förändringar i ljusets våglängd. "Skillnaden i intensitet liknar att gå från en glödlampa för en bordslampa till en laserpekare, ", sa han. "Vi skapar en skarpare signal som gör det lättare att upptäcka ännu mindre förändringar för små spår av sprängämnen i luften."