Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory hebben mogelijk een manier gevonden om Raman-spectroscopie te verbeteren als hulpmiddel voor het identificeren van stoffen in extreem lage concentraties. Mogelijke toepassingen voor Raman-spectroscopie zijn onder meer medische diagnose, medicijn / chemische ontwikkeling, forensische en zeer draagbare detectiesystemen voor de nationale veiligheid.

Het vermogen om moleculen in lage concentraties met grote specificiteit te identificeren en niet-invasieve, niet-destructieve metingen hebben geleid tot het toenemende gebruik van Raman-spectroscopie als een geaccepteerde analytische techniek. Maar een tekortkoming van deze techniek is het gebrek aan gevoeligheid en betrouwbaarheid bij extreem lage concentraties.

Raman-spectroscopie bestaat uit het observeren van de verstrooiing van licht, meestal van een laser, door moleculen van een transparante stof. Het verschil in golflengte van verstrooid licht en invallend licht kan gedetailleerde informatie geven over de aard van de stof.

"Raman-verstrooiing biedt een mooie vingerafdruk van materialen die van belang zijn voor de nationale veiligheid, " zei Tiziana Bond van LLNL's Center for Micro and Nano Technology.

Bond en haar groep ontwikkelen oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie (SERS), een methode die de gevoeligheidsorden van grootte verhoogt door signalen te verbeteren. Hoewel ze een groot potentieel tonen, de substraten die worden gebruikt voor SERS, typisch geruwde metalen oppervlakken, variabele signalen hebben opgeleverd, tot nu toe, onbetrouwbaar. Het geruwde oppervlak versterkt de interactie van het molecuul met het metaal. De uitdaging was om een ​​manier te vinden om een ​​substraat te creëren met uniforme topografische kenmerken die consistente signaalverbeteringen opleveren.

Een deel van dit werk wordt beschreven in een paper gepubliceerd in de editie van september 2010 van: Nanotechnologie recht hebben " Strenge oppervlakteverbeterde Raman-spectrale karakterisering van grote gebieden, Hoge uniformiteit, Verzilverde, taps toelopende silica nanopillar arrays , " die werd gepubliceerd door Bond en haar groep in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Verbeterde nano-engineeringtechnieken en halfgeleiderproductiemethoden hebben de productie mogelijk gemaakt van SERS-substraten - de basislaag of textuur op 4- tot 6-inch wafers - die betrouwbaarder zijn. De sleutel is substraten met voldoende "reproduceerbaarheid" voor betrouwbare analyse. LLNL-onderzoekers hebben aan verschillende technieken gewerkt om een ​​robuuster en uniformer substraat te bereiken dat een hoge gevoeligheid en reproduceerbaarheid behoudt.

Elektromagnetische en chemische verbeteringen zijn twee factoren die de totale verbetering van de SERS beïnvloeden (met betrekking tot Raman). De eerste is sterker en is goed voor 106-108 magnitudeverbeteringen, terwijl de tweede doorgaans verantwoordelijk is voor 10-100 factoren. Om de elektromagnetische effecten te benutten, de metalen nanostructuren moeten goed worden ontworpen.

In een artikel getiteld " Plasmon-resonantieholtes in verticale nanodraadarrays " gepubliceerd in Nano-letters eerder dit jaar, Bonds groep, onderzoek een innovatief ontwerp met behulp van een verticaal met goud gecoat nanodraadarray-substraat dat een sterke en controleerbare verbetering zou bieden. De innovatie van het LLNL-team is de fabricage van "afstembare" plasmonresonantieholtes in de verticale draadarrays - holtes zijn de ruimte tussen de verticale draden. Mihail Bora, een postdoc die een jaar geleden bij Bonds groep kwam, is nauw betrokken bij dit deel van het project en legt uit dat oppervlakteplasmonen elektromagnetische golven zijn die lijken op licht, behalve dat ze zich op metalen oppervlakken bevinden. Afstemming van plasmonresonantie wordt bereikt door de geometrische afmetingen van de holte te regelen.

Ze introduceren de kleinste optische resonantieholte die duizenden keren kleiner is dan de golflengte van licht en toonden aan dat het mogelijk is om deze diffractielimiet te overschrijden door oppervlakteplasmonen te gebruiken. Resonantieholtes worden momenteel gebruikt voor oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie om chemische analyten (concentratie) te detecteren. "Door het licht in zulke krappe ruimtes te beperken, kunnen we intense velden creëren die nuttig zijn bij het vergroten van het spectroscopiesignaal, ' zei Bond.

Deze ontwerpkenmerken bieden een aantal voordelen. Bijvoorbeeld, het maakt het mogelijk om de gevoeligheid van de substraten af ​​te stemmen, of aangepast, op verschillende golflengten, wat onderzoekers een grotere veelzijdigheid biedt.

Een van de mogelijke toepassingsuitbreidingen van het plasmonsubstraat die verder gaat dan de verbetering van SERS, is het mogelijk maken van de demonstratie van plasmonische lasers op subgolflengten, en breedband nanoantenne-arrays voor fotovoltaïsche energie door te spelen met geometrische factoren.

Het werk van de groep is gefinancierd door Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en het Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-programma van LLNL.