Met behulp van koolstof nanobuisjes, een onderzoeksteam onder leiding van professor Hyung Gyu Park in samenwerking met Dr. Tiziana Bond heeft een sensor ontwikkeld die de gevoeligheid van veelgebruikte maar typisch zwakke vibrerende spectroscopische methoden aanzienlijk versterkt, zoals Raman-spectroscopie. Dit type sensor maakt het mogelijk om in de kleinste concentraties aanwezige moleculen te detecteren.

Wetenschappers van ETH Zürich en het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Californië hebben een innovatieve sensor ontwikkeld voor oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie (SERS). Dankzij de unieke oppervlakte-eigenschappen op nanoschaal, de methode kan worden gebruikt om analyses uit te voeren die betrouwbaarder zijn, gevoelig en kostenbesparend. In experimenten met de nieuwe sensor, konden de onderzoekers een bepaalde organische soort detecteren (1, 2bis(4-pyridyl)ethyleen, of BPE) in een concentratie van enkele honderden femtomol per liter. Een 100 femtomolaire oplossing bevat ongeveer 60 miljoen moleculen per liter.

Tot nu, de detectielimiet van gewone SERS-systemen lag in het nanomolaire bereik, d.w.z. een miljardste van een mol. De resultaten van een onderzoek uitgevoerd door Hyung Gyu Park, Hoogleraar energietechnologie aan de ETH Zürich, en Tiziana Bond, Capability Leader bij LLNL, werden deze week gepubliceerd als omslagartikel in het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde materialen .

Raman-spectroscopie maakt gebruik van het feit dat moleculen die worden verlicht door licht met een vaste frequentie 'inelastische' verstrooiing vertonen die nauw verband houdt met de vibratie- en rotatiemodi die in de moleculen worden geëxciteerd. Raman-verstrooid licht verschilt van gewoon Rayleigh-verstrooid licht doordat het andere frequenties heeft dan die van het uitstralende licht en een specifiek frequentiepatroon produceert voor elke onderzochte stof, waardoor het mogelijk wordt deze spectruminformatie te gebruiken als vingerafdruk voor het opsporen en identificeren van specifieke stoffen. Om individuele moleculen te analyseren, de frequentiesignalen moeten worden versterkt, wat vereist dat het betreffende molecuul ofwel in een hoge concentratie aanwezig is of zich dicht bij een metalen oppervlak bevindt dat het signaal versterkt. Vandaar de naam van de methode:oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie.

Versterkte signalen voor verbeterde reproduceerbaarheid

"Deze technologie bestaat al tientallen jaren, " legt Ali Altun uit, een promovendus in de groep onder leiding van Park aan het Institute of Energy Technology. Met de huidige SERS-sensoren, echter, de signaalsterkte is alleen in geïsoleerde gevallen voldoende en levert resultaten op met een lage reproduceerbaarheid. Altun, Bond en Park stelden zich daarom tot doel een sensor te ontwikkelen die de signalen van het Raman-verstrooide licht enorm versterkt.

Het gekozen substraat bleek verticaal gerangschikt te zijn, caespitose, dicht opeengepakte koolstofnanobuisjes (CNT) die deze hoge dichtheid van 'hot spots' garanderen. De groep ontwikkelde technieken om op een uniforme en gecontroleerde manier dichte bossen van CNT's te laten groeien. De beschikbaarheid van deze expertise was een van de belangrijkste redenen om nanobuisjes te gebruiken als basis voor zeer gevoelige SERS-sensoren, zegt Park.

Een spaghetti-achtig oppervlak

De uiteinden van de CNT's zijn scherp gebogen, en de onderzoekers bedekten deze tips met goud en hafniumdioxide, een diëlektrisch isolatiemateriaal. Het contactpunt tussen het oppervlak van de sensor en het monster lijkt dus op een bord spaghetti met daarop saus. Echter, tussen de slierten spaghetti, er zijn talloze willekeurig gerangschikte gaten die verstrooid licht doorlaten, en de vele contactpunten - de 'hot spots' - versterken de signalen.

"Een methode om zeer gevoelige SERS-sensoren te maken, is door gebruik te maken van de contactpunten van metalen nanodraden, ", legt Park uit. De nano-spaghettistructuur met CNT-tips met een metalen coating is perfect voor het maximaliseren van de dichtheid van deze contactpunten.

Inderdaad, Bond legt uit, de brede verspreiding van metalen nanospleten in het nanometerbereik, algemeen erkend als verantwoordelijk voor extreme elektromagnetische verbetering (of hotspots) en zeer nagestreefd door vele onderzoeksgroepen, is gemakkelijk en gemakkelijk bereikt door het team, wat resulteert in de intense en reproduceerbare verbeteringen.

De sensor verschilt van andere vergelijkbare ultragevoelige SERS-sensoren niet alleen qua structuur, maar ook vanwege het relatief goedkope en eenvoudige productieproces en het zeer grote oppervlak van de 3D-structuren die een intense, uniform signaal.

Een doorbraak op twee niveaus

aanvankelijk, de onderzoekers bedekten alleen de uiteinden van de CNT's met goud. De eerste experimenten met het BPE-testmolecuul lieten zien dat ze op de goede weg waren, maar dat de detectielimiet niet zo ver kon worden verlaagd als ze hadden gehoopt. Eventueel, ze ontdekten dat de elektronen die nodig waren op het oppervlak van de goudlaag voor het genereren van zogenaamde plasmonresonantie, naar buiten stroomden via de geleidende koolstofnanobuizen. De taak was toen om erachter te komen hoe deze lekkage van plasmonische energie kan worden voorkomen.

De onderzoekers bedekten de CNT's met hafniumoxide, een isolatiemateriaal, voordat u een laag goud aanbrengt. "Dit was de doorbraak, ", zegt Altun. De isolatielaag verhoogde de gevoeligheid van zijn sensorsubstraat met een factor 100, 000 in de molaire concentratie-eenheid.

"Voor ons als wetenschappers, dit was een moment van triomf, " beaamt Park, "en het liet ons zien dat we de juiste hypothese en een rationeel ontwerp hadden gemaakt."

De sleutel tot de succesvolle ontwikkeling van de sensor was daarom tweeledig:aan de ene kant, het was hun beslissing om CNT's te blijven gebruiken, waarvan de morfologie essentieel is voor het maximaliseren van het aantal 'hot spots', en aan de andere kant, het was het feit dat deze nanobuisjes dubbel gecoat waren.

Park en Bond willen nu graag een stap verder gaan en hun nieuwe principe op de markt brengen, maar ze zijn nog steeds op zoek naar een industriële partner. Volgende, ze willen de gevoeligheid van de sensor blijven verbeteren, en ze zijn ook op zoek naar mogelijke toepassingsgebieden. Park voorziet de installatie van de technologie in draagbare apparaten, bijvoorbeeld om on-site analyse van chemische onzuiverheden zoals milieuverontreinigende stoffen of farmaceutische residuen in water te vergemakkelijken. Hij benadrukt dat de uitvinding van een nieuw apparaat niet nodig is; het is eenvoudig om de sensor op een geschikte manier te installeren.

Andere mogelijke toepassingen zijn forensisch onderzoek of militaire toepassingen voor vroege opsporing van chemische of biologische wapens, biomedische toepassing voor real-time point-of-care monitoring van fysiologische niveaus, en snelle screening van drugs en toxines op het gebied van rechtshandhaving.