Een nieuwe methode maakt het mogelijk om compacte apparaten te maken die de moleculaire samenstelling van een vloeistof of gas nauwkeurig bepalen, en helpen bij het identificeren van potentieel gevaarlijke chemische verbindingen. De resultaten van het werk uitgevoerd door onderzoekers van ITMO University en Ben-Gurion University of the Negev, Israël zijn gepubliceerd in Nanomaterialen .

Vandaag, er wordt steeds meer aandacht besteed aan de kwaliteit van lucht en water en de beheersing van eventuele schadelijke stoffen die ze kunnen bevatten. Zelfs een kleine concentratie van dergelijke verbindingen kan een enorm negatief effect hebben op de gezondheid van mens en dier. We hebben complexe apparatuur nodig om de chemische samenstelling van stoffen te monitoren en specifieke verbindingen te identificeren. De meest wijdverbreide van de eerder toegepaste methoden is vibrationele spectroscopie.

"Met vibrationele spectroscopie, je kunt gemakkelijk de moleculaire samenstelling leren van elke stof die je voorheen niet kende, " legt Daler Dadadzhanov uit, PhD student aan een gezamenlijk programma van ITMO University en Ben-Gurion University of the Negev, Israël, onderzoeksmedewerker bij het International Research and Education Centre for Physics of Nanostructures. "Het werkt als volgt:we hebben een onbekende stof die bestaat uit een aantal atomen die met elkaar in wisselwerking staan; een aminogroep, bijvoorbeeld, heeft waterstof- en stikstofatomen. Bij blootstelling aan lichtstraling, deze atomen beginnen te oscilleren, een bepaalde hoeveelheid energie absorberen terwijl ze bezig zijn. Als resultaat, de resulterende energie zal minder zijn. De frequentie waarmee de energie werd geabsorbeerd, kan worden gebruikt om de functionele atoomgroepen te bepalen waaruit een molecuul bestaat. Vervolgens, er zou een 'moleculaire ID' kunnen worden gemaakt die vervolgens door een detector kan worden gebruikt, omdat deze bepaalt met welk soort stof het werd gepresenteerd."

De spectrometers die tegenwoordig worden gebruikt, werken meestal in het midden-infrarode spectrale bereik, met de golflengte van 2,5-25 micrometer. In dit bereik, de verschillen tussen de energie van invallend licht en de energie die al door de stof is gegaan, kunnen eenvoudig worden gedefinieerd en geanalyseerd. De analysatoren die in dit bereik werken, echter, zijn relatief groot en omslachtig, evenals vrij duur. Bovendien, sommige banden in het midden-infrarood spectrum zijn zo intens, zoals die verbonden met de trilling van waterstofatomen van een OH-groep, dat ze leiden tot totale energieabsorptie bij het detecteren van kleine hoeveelheden stoffen. Deze banden zijn de oorzaak van problemen bij het interpreteren van andere karakteristieke trillingsbanden in het absorptiespectrum.

Het systeem kan meerdere malen kleiner worden gemaakt, als het niet in het midden-infrarood maar in het nabij-infrarood spectrum zou kunnen werken dat overeenkomt met kortegolfstraling. Het nabij-infraroodspectrum wordt veel meer bestudeerd dan het midden-infraroodspectrum, vooral omdat het wordt gebruikt door moderne telecomsystemen.

"Het grote voordeel van het nabij-infraroodspectrum is dat er tegenwoordig veel energiezuinige en hoogwaardige continue stralingseenheden en betrouwbare detectoren zijn, " merkt Dadadzhanov op. "Ze zijn goedkoper dan die in het midden-infraroodbereik en compacter. Dus, de mid-infraroodspectrumapparatuur kan 1,5 bij 1,5 meter groot zijn, terwijl de nabij-infrarode op een menselijke handpalm zou passen."

Echter, er is een probleem - door de golflengte korter te maken, wordt het verschil tussen de inkomende en uitgaande energie te klein om gemakkelijk te worden gedetecteerd. Als resultaat, voor een goede analyse is een grotere hoeveelheid stof nodig, waardoor het compacteren van het apparaat in gevaar komt. Verder, veel sensoren zijn gericht op het detecteren van onbekende stoffen met marginaal kleine concentraties, zoals giftige moleculen. De taak wordt moeilijker in het nabij-infraroodspectrum.

Voordat u een analysator maakt op basis van nabij-infrarood vibratiespectroscopie, wetenschappers moeten een manier vinden om het ontvangen signaal te versterken vanwege het verschil tussen de inkomende en uitgaande energie. Dit zeiden de onderzoekers van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev, Israël onder leiding van Dr. Alina Karabchevsky en hun collega's van de ITMO University werkten aan.

"In onze krant wij stellen het volgende ontwerp voor:op een basis van een transparant diëlektricum, Leuk vinden, bijvoorbeeld, borosilicaatglas, een periodieke reeks gouden nanoparallelepipedums wordt gevormd. Dergelijke structuren kunnen worden verkregen met elektronenstraallithografie, " vervolgt Dadadzhanov. "Daarna, we bedekken het substraat met een dunne laag van de bestudeerde stof en registreren het transmissiespectrum van het monster, die wordt bepaald door gecombineerde excitatie van plasmonische resonantie in gouden nanodeeltjes en moleculaire trillingen (boventonen) van de bestudeerde stof. Gouden nanoparallellepipedums in de voorgestelde vorm hebben hun plasmonische resonantie in precies hetzelfde gebied van het spectrum waar de bestudeerde moleculen hun absorptiebanden hebben. Bovendien, in de buurt van een metalen oppervlak wordt het elektromagnetische veld sterk versterkt. Daarom, dit verhoogt de gevoeligheid van de voorgestelde sensor."

Het gepubliceerde artikel is theoretisch - met onderzoek naar numerieke modellen. De volgende stap, daarom, zal zijn om daadwerkelijke experimenten uit te voeren om dergelijke systemen onder laboratoriumomstandigheden te creëren.