Från flygplatssäkerhet som upptäcker sprängämnen till konsthistoriker som autentiserar målningar, samhällets törst efter kraftfulla sensorer växer.

Givet att, få avkänningstekniker kan matcha surret som skapas av ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS).

Upptäcktes på 1970-talet, SERS är en avkänningsteknik uppskattad för sin förmåga att identifiera kemiska och biologiska molekyler inom ett brett spektrum av områden. Det har kommersialiserats, men inte brett, eftersom de material som krävs för att utföra avkänningen förbrukas vid användning, relativt dyra och komplicerade att tillverka.

Det kan snart ändras.

En internationell forskargrupp ledd av University at Buffalo-ingenjörer har utvecklat nanoteknik som lovar att göra SERS enklare och mer prisvärd.

Beskrivs i en forskningsartikel som publicerades idag i tidskriften Avancerade materialgränssnitt , fotonikens framsteg syftar till att förbättra vår förmåga att upptäcka spårmängder av molekyler i sjukdomar, kemiska krigföringsmedel, bedrägliga målningar, miljöföroreningar med mera.

"Tekniken vi utvecklar - ett universellt substrat för SERS - är en unik och, potentiellt, revolutionerande egenskap. Det tillåter oss att snabbt identifiera och mäta kemiska och biologiska molekyler med hjälp av en bredbandig nanostruktur som fångar ett brett spektrum av ljus, sa Qiaoqiang Gan, UB biträdande professor i elektroteknik och studiens huvudförfattare.

Ytterligare författare till studien är:UB PhD-kandidater i elektroteknik Nan Zhang, Kai Liu, Haomin Song, Xie Zeng, Dengxin Ji och Alec Cheney; och Suhua Jiang, docent i materialvetenskap, och Zhejun Liu, Doktorand, båda vid Fudan University i Kina.

När en kraftfull laser interagerar med kemiska och biologiska molekyler, processen kan excitera vibrationslägen hos dessa molekyler och producera oelastisk spridning, även kallad Raman-spridning, av ljus. När strålen träffar dessa molekyler, den kan producera fotoner som har en annan frekvens än laserljuset. Även om den är rik på detaljer, signalen från spridning är svag och svår att läsa utan en mycket kraftfull laser.

SERS tar itu med problemet genom att använda ett nanopönstrat substrat som avsevärt förbättrar ljusfältet vid ytan och, därför, Raman-spridningsintensiteten. Tyvärr, Traditionella substrat är typiskt utformade för endast ett mycket snävt intervall av våglängder.

Detta är problematiskt eftersom olika substrat behövs om forskare vill använda en annan laser för att testa samma molekyler. I tur och ordning, detta kräver fler kemiska molekyler och substrat, ökade kostnader och tid för att utföra testet.

Det universella substratet löser problemet eftersom det kan fånga ett brett spektrum av våglängder och klämma in dem i mycket små luckor för att skapa ett starkt förstärkt ljusfält.

Tekniken består av en tunn film av silver eller aluminium som fungerar som en spegel, och ett dielektriskt skikt av kiseldioxid eller aluminiumoxid. Dielektrikumet separerar spegeln med små metallnanopartiklar som är slumpmässigt placerade på toppen av substratet.

"Den fungerar som en skelettnyckel. Istället för att behöva alla dessa olika substrat för att mäta Raman-signaler som exciteras av olika våglängder, så småningom behöver du bara en. Precis som en skelettnyckel som öppnar många dörrar, " sa Zhang.

"Applikationerna för en sådan enhet är långtgående, " sa Kai Liu. "Förmågan att upptäcka ännu mindre mängder av kemiska och biologiska molekyler kan vara till hjälp med biosensorer som används för att upptäcka cancer, Malaria, HIV och andra sjukdomar."

Det kan vara användbart att identifiera kemikalier som används i vissa typer av färg. Detta kan vara till hjälp för att upptäcka förfalskade konstverk samt att återställa åldrande konstverk. Också, Tekniken kan förbättra forskarnas förmåga att upptäcka spårmängder av gifter i luften, vatten eller andra utrymmen som är orsak till hälsoproblem. Och det kan hjälpa till att upptäcka kemiska vapen.

National Science Foundation stödde forskningen i ett anslag för att utveckla ett biosensorsystem i realtid in vivo. Gan delar bidraget med Josep M. Jornet och Zhi Sun, båda biträdande professorer i elektroteknik vid UB.