Med hjälp av konventionella testtekniker kan det vara utmanande – ibland omöjligt – att upptäcka skadliga föroreningar som nanoplast, luftföroreningar och mikrober i levande organismer och naturliga material. Dessa föroreningar finns ibland i så små mängder att tester inte kan plocka upp dem på ett tillförlitligt sätt.
Detta kan dock snart ändras. Framväxande nanoteknik (baserad på ett "vridet" ljustillstånd) lovar att göra det lättare att identifiera den kemiska sammansättningen av föroreningar och deras geometriska form i prover av luft, vätska och levande vävnad.
Ett internationellt team av forskare ledda av fysiker vid University of Bath bidrar till denna teknik, som kan bana väg för nya miljöövervakningsmetoder och avancerade läkemedel. Deras arbete publiceras i tidskriften Advanced Materials .
Den framväxande kemikaliedetekteringstekniken är baserad på en ljus-materia-interaktion som kallas Raman-effekten. Ramaneffekten uppstår när ett material som är upplyst med en viss ljusfärg sprider sig och ändrar ljuset till en mängd lite olika färger. Det producerar i huvudsak en mini-regnbåge som är beroende av hur atomer i material vibrerar.
Att mäta Raman-regnbågens färger avslöjar individuella atombindningar eftersom molekylära bindningar har distinkta vibrationsmönster. Varje bindning i ett material producerar sin egen unika färgförändring från belysningens. Sammantaget tjänar färgerna i Raman-regnbågen till att detektera, analysera och övervaka den kemiska sammansättningen (kemiska bindningarna) hos komplexa molekyler, som de som finns i blandningar av miljöföroreningar.
"Raman-effekten tjänar till att upptäcka bekämpningsmedel, läkemedel, antibiotika, tungmetaller, patogener och bakterier. Den används också för att analysera individuella atmosfäriska aerosoler som påverkar människors hälsa och klimatet", säger doktor Robin Jones från fysikavdelningen vid Bath. vem är den första författaren till studien.
Medförfattaren professor Liwu Zhang från Institutionen för miljövetenskap vid Fudan University i Kina sa att "Vattenföroreningar, även i spårmängder, kan ackumuleras i levande organismer genom den biologiska kedjan. Detta utgör ett hot mot människors hälsa och djurens välbefinnande. och vilda djur I allmänhet är det verkligen svårt att veta exakt vad den kemiska sammansättningen av komplexa blandningar är."
Professor Ventsislav Valev från Bath, som ledde studien, tillade:"Det är nödvändigt att förstå komplexa, potentiellt skadliga föroreningar i miljön, så att vi kan lära oss hur man bryter ner dem till ofarliga komponenter. Men det handlar inte bara om vilka atomer de är. Sättet atomerna är ordnade på spelar stor roll – det kan vara avgörande för hur molekyler agerar, särskilt inom levande organismer.
"Vårt arbete syftar till att utveckla nya sätt på vilka Raman-effekten kan berätta för oss om hur atomer är ordnade i rymden och nu har vi tagit ett viktigt tekniskt steg med hjälp av små spiralformade antenner gjorda av guld."
Ramaneffekten är mycket svag – endast en av 1 000 000 fotoner (ljuspartiklar) genomgår färgförändringen. För att förbättra det använder forskare miniatyrantenner tillverkade i nanoskala som kanaliserar det infallande ljuset in i molekylerna. Ofta är dessa antenner gjorda av ädelmetaller och deras design är begränsad av nanotillverkningskapacitet.
Teamet på Bath använde de minsta spiralformade antennerna som någonsin använts:deras längd är 700 gånger mindre än tjockleken på ett människohår och antennernas bredd är 2 800 gånger mindre. Dessa antenner tillverkades av guld av forskare i teamet av professor Peer Fischer vid universitetet i Stuttgart i Tyskland.
"Våra mätningar visar att dessa spiralformade antenner hjälper till att få ut många Raman-regnbågsfotoner ur molekyler", säger Dr Jones. "Men ännu viktigare är att den spiralformade formen förstärker skillnaden mellan två typer av ljus som ofta används för att undersöka geometrin hos molekyler. Dessa är kända som cirkulärt polariserat ljus.
"Cirkulärt polariserat ljus kan vara vänsterhänt eller högerhänt och våra spiraler kan i princip handskaka med ljus. Och eftersom vi kan få spiralerna att vrida sig till vänster eller höger, kan handslaget med ljus som vi tänkt ut vara både med vänster eller höger hand."
"Medan sådana handskakningar har observerats tidigare, är det viktigaste framstegen här att vi för första gången visar att det känns av molekyler, eftersom det påverkar deras Raman-regnbåge. Detta är ett viktigt steg som gör att vi kan skilja effektivt och tillförlitligt mellan vänster- och högerhänta molekyler, först i labbet och sedan i miljön."
För att visa att den nya handskakningen mellan ljus och antenner kunde överföras till molekyler använde forskarna sig av molekyler – kristallvioletta – som inte kan "handskaka" med ljus av sig själva. Ändå betedde sig dessa molekyler som om de kunde utföra denna funktion, och uttryckte förmågan att "handskaka" guldnanohelices som de var fästa vid.
"En annan viktig aspekt av vårt arbete här är att vi arbetade med två industriella partners", säger professor Valev. "VSParticle producerar standard nanomaterial för mätning av Raman-ljus. Att ha gemensamma standarder är verkligen viktigt för forskare runt om i världen för att kunna jämföra resultat."
Han tillade, "Vår industriella partner Renishaw PLC är en världsledande tillverkare av Raman-spektroskopi- och mikroskopiutrustning. Sådana partnerskap är väsentliga, så att ny teknik kan flytta ut från laboratoriet och in i den verkliga världen, där miljöutmaningarna finns. "
Med utgångspunkt i detta arbete arbetar teamet nu med att utveckla mer avancerade former av Raman-teknologier.
Mer information: Robin R. Jones et al, Dense Arrays of Nanohelices:Raman Scattering from Achiral Molecules Reveals the Near-Field Enhancements at Chiral Metasurfaces, Advanced Materials (2023). DOI:10.1002/adma.202209282
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av University of Bath
