En mycket känslig kemisk sensor baserad på Raman-spektroskopi och med användning av kvävedopad grafen som substrat utvecklades av ett internationellt team av forskare som arbetar vid Penn State. I detta fall, dopning hänvisar till att införa kväveatomer i kolstrukturen i grafen. Denna teknik kan detektera spårmängder av molekyler i en lösning vid mycket låga koncentrationer, ett 10-tal, 000 gånger mer utspädd än vad som kan ses med blotta ögat.

Ramanspektroskopi är en allmänt antagen identifieringsteknik som används inom kemi, materialvetenskap och läkemedelsindustrin för att upptäcka de unika interna vibrationerna hos olika molekyler. När ett laserljus bestrålar kristaller eller molekyler, det sprider och skiftar färger. Det spridda ljuset kan detekteras i form av ett Raman-spektrum, som fungerar nästan som ett fingeravtryck för varje Raman-aktivt bestrålat system.

"I grund och botten, olika färger i det synliga spektrumet kommer att associeras med olika energier, sa Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi och materialvetenskap vid Penn State, som ledde forskningen. "Föreställ dig att varje molekyl har en speciell ljusfärgsemission, ibland gul, ibland grönt. Den färgen är förknippad med en diskret energi."

Teamet valde tre typer av fluorescerande färgämnesmolekyler för sina experiment. Fluorescerande färgämnen, som ofta används som markörer i biologiska experiment, är särskilt svåra att upptäcka i Raman-spektroskopi eftersom fluorescensen tenderar att tvätta ut signalen. Dock, när färgämnet tillsätts till grafen- eller N-dopat grafensubstrat, fotoluminescensen – fluorescensen – släcks.

På egen hand, Raman-signalen är så svag att många metoder har använts för att förbättra signalen. En nyligen utvecklad förbättringsteknik använder orörd grafen som substrat, som kan förstärka Raman-signalen med flera storleksordningar. I en tidning publicerad online idag (22 juli) i tidskriften Vetenskapens framsteg , Terrones och kollegor avslöjade att tillsats av kväveatomer till den orörda grafenen ytterligare förbättrar känsligheten och, viktigt, de gav en teoretisk förklaring till hur grafen och N-dopad grafen orsakar förbättringen.

"Genom att kontrollera kvävedopning kan vi flytta energigapet i grafen, och skiftet skapar en resonanseffekt som avsevärt förstärker molekylens vibrationella Raman-lägen, " sa huvudförfattaren Simin Feng, en doktorand i Terrones grupp.

"Detta är grundläggande forskning, sa Ana Laura Elias, en medförfattare och forskningsassistent i Terrones labb. "Det är svårt att kvantifiera förbättringen eftersom den kommer att vara olika för varje material och ljusfärg. Men i vissa fall, vi går från noll till något vi kan upptäcka för första gången. Du kan se många funktioner och studera mycket fysik då. För mig är den viktigaste aspekten av detta arbete vår förståelse av fenomenet. Det kommer att leda till förbättringar i tekniken."

Terrones lade till, "Vi genomförde ett omfattande teoretiskt och experimentellt arbete. Vi kom på en förklaring till varför kvävedopad grafen fungerar mycket bättre än vanlig grafen. Jag tror att det är ett genombrott, eftersom vi i vår artikel förklarar mekanismen för att detektera vissa molekyler."

På grund av grafens kemiska tröghet och biokompatibilitet, teamet förväntar sig att den nya tekniken kommer att vara effektiv för att upptäcka spårmängder av organiska molekyler. Elias är entusiastisk över möjligheten att kombinera tekniken med tillgängliga bärbara Raman-spektrometrar som kan tas till avlägsna platser för att upptäcka, till exempel, farliga virus. De fluorescerande färgämnena de studerade kommer att göra det snabbt och enkelt att se närvaron av föreningar inuti biologiska celler. Eftersom tekniken är enkel - doppa bara grafensubstratet i en lösning under en kort tid - borde det vara möjligt att skapa ett helt bibliotek av Raman-spektrumet av specifika molekyler, sa Terrones.

Forskare från Brasilien, Kina och Japan bidrog till detta arbete när de besökte Terrones-labbet i Penn State. Uppsatsen har titeln "Ultrasensitive Molecular Sensor Using N-doped Graphene through Enhanced Raman Scattering."