In asymmetrische oorlogsvoering, vroege detectie en identificatie van chemische en biologische agentia en explosieve verbindingen op sporenniveau is van cruciaal belang voor een snelle reactie, antwoord, en overlevingskansen. Hoewel er momenteel veel methoden worden gebruikt om deze bedreigingen te detecteren, geen enkele staat de unieke vingerafdrukken van bedreigingsagenten op sporenniveau toe.

Een onderzoeksteam, onder leiding van drs. Joshua Caldwell en Orest Glembocki, wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory, Afdeling elektronische wetenschap en technologie, heeft deze beperking overwonnen met oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing (SERS) met behulp van optisch gestimuleerde plasmon-oscillaties in nanogestructureerde substraten.

Getoond om verbeteringen van het Raman-signaal te bieden, met goud (Au) gecoate silicium (Si) nanopillar-arrays met groot oppervlak zijn meer dan 100 miljoen keer gevoeliger dan alleen Raman-verstrooiingsdetectie, met behoud van een zeer uniforme respons met minder dan 30 procent variabiliteit over het sensorgebied.

"Deze arrays zijn meer dan een orde van grootte gevoeliger dan de best gerapporteerde SERS-sensoren in de literatuur en de huidige state-of-the-art grote commerciële SERS-sensoren, ", zegt Caldwell. "Deze arrays kunnen een belangrijk onderdeel zijn van volledig geïntegreerde, autonoom werkende chemische sensoren die detecteren, identificeren en rapporteren van de aanwezigheid van een dreiging op sporen van blootstelling."

Raman-apparaten gebruiken laserlicht om moleculaire trillingen op te wekken, wat op zijn beurt een verschuiving in de energie van de verstrooide laserfotonen veroorzaakt, op of neer, het creëren van een uniek visueel patroon. In het geval van sporen van moleculen in gassen of vloeistoffen, detectie door gewone Raman-verstrooiing is vrijwel onmogelijk. Echter, het Raman-signaal kan worden versterkt via het SERS-effect met behulp van metalen nanodeeltjes.

Ondanks dat Raman-verstrooiing aan het oppervlak voor het eerst werd waargenomen aan het eind van de jaren zeventig, pogingen om reproduceerbare op SERS gebaseerde chemische sensoren te leveren, werden gehinderd door het onvermogen om apparaten met een groot oppervlak te maken met een uniforme SERS-respons. Het vermogen om deeltjes van nanometergrootte reproduceerbaar in periodieke arrays te modelleren, heeft het eindelijk mogelijk gemaakt om aan deze eis te voldoen.

"Hoewel er momenteel veel instrumenten beschikbaar zijn om sporen van chemische oorlogsvoering en biologische agentia en explosieve verbindingen op te sporen, een apparaat dat SERS gebruikt kan worden gebruikt om deze minieme hoeveelheden van de betreffende chemicaliën te identificeren door middel van een 'vingerafdruk' van het materiaal, die de prevalentie van valse alarmen vrijwel elimineert, ' zegt Glembocki.

SERS biedt verschillende potentiële voordelen ten opzichte van andere spectroscopische technieken vanwege de meetsnelheid, hoge gevoeligheid, draagbaarheid, en eenvoudige wendbaarheid. SERS kan bovendien worden gebruikt om bestaande Raman-technologieën te verbeteren, zoals de draagbare en afstandhouders die al in gebruik zijn in veldtoepassingen.