Van luchthavenbeveiliging die explosieven detecteert tot kunsthistorici die schilderijen authenticeren, de honger van de samenleving naar krachtige sensoren groeit.

Gezien dat, er zijn maar weinig detectietechnieken die de buzz kunnen evenaren die wordt gecreëerd door oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie (SERS).

Ontdekt in de jaren 70, SERS is een detectietechniek die wordt gewaardeerd om zijn vermogen om chemische en biologische moleculen op een groot aantal gebieden te identificeren. Het is gecommercialiseerd, maar niet op grote schaal omdat de materialen die nodig zijn om de waarneming uit te voeren bij gebruik worden verbruikt, relatief duur en ingewikkeld om te fabriceren.

Dat kan binnenkort veranderen.

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van ingenieurs van de Universiteit van Buffalo heeft nanotechnologie ontwikkeld die belooft SERS eenvoudiger en betaalbaarder te maken.

Beschreven in een onderzoekspaper dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materiaalinterfaces , de vooruitgang van de fotonica heeft tot doel ons vermogen te verbeteren om sporen van moleculen in ziekten te detecteren, chemische oorlogsvoering agenten, frauduleuze schilderijen, milieuverontreinigende stoffen en meer.

"De technologie die we ontwikkelen - een universeel substraat voor SERS - is een unieke en, mogelijk, revolutionaire functie. Het stelt ons in staat om snel chemische en biologische moleculen te identificeren en te meten met behulp van een breedband nanostructuur die een breed scala aan licht vangt, " zei Qiaoqiang Gan, UB-assistent-professor elektrotechniek en hoofdauteur van de studie.

Andere auteurs van het onderzoek zijn:UB-promovendi in elektrotechniek Nan Zhang, Kai Liu, Haomin-lied, Xie Zeng, Dengxin Ji en Alec Cheney; en Suhua Jiang, universitair hoofddocent materiaalkunde, en Zhejun Liu, promovendus, beide aan de Fudan University in China.

Wanneer een krachtige laser een interactie aangaat met chemische en biologische moleculen, het proces kan vibratiemodi van deze moleculen opwekken en inelastische verstrooiing veroorzaken, ook wel Raman-verstrooiing genoemd, van licht. Als de straal deze moleculen raakt, het kan fotonen produceren die een andere frequentie hebben dan het laserlicht. Hoewel rijk aan details, het signaal van verstrooiing is zwak en moeilijk te lezen zonder een zeer krachtige laser.

SERS pakt het probleem aan door gebruik te maken van een substraat met nanopatroon dat het lichtveld aan het oppervlak aanzienlijk verbetert en, daarom, de Raman-verstrooiingsintensiteit. Helaas, traditionele substraten zijn meestal ontworpen voor slechts een zeer smal bereik van golflengten.

Dit is problematisch omdat er verschillende substraten nodig zijn als wetenschappers een andere laser willen gebruiken om dezelfde moleculen te testen. Beurtelings, dit vereist meer chemische moleculen en substraten, toenemende kosten en tijd om de test uit te voeren.

Het universele substraat lost het probleem op omdat het een breed scala aan golflengten kan vangen en ze in zeer kleine openingen kan persen om een ​​sterk verbeterd lichtveld te creëren.

De technologie bestaat uit een dunne film van zilver of aluminium die als spiegel fungeert, en een diëlektrische laag van silica of alumina. Het diëlektricum scheidt de spiegel met kleine metalen nanodeeltjes die willekeurig aan de bovenkant van het substraat zijn geplaatst.

"Het werkt vergelijkbaar met een skeletsleutel. In plaats van al deze verschillende substraten nodig te hebben om Raman-signalen te meten die worden opgewekt door verschillende golflengten, uiteindelijk heb je er maar één nodig. Net als een loper die vele deuren opent, ' zei Zhang.

"De toepassingen van zo'n apparaat zijn verstrekkend, " zei Kai Liu. "Het vermogen om nog kleinere hoeveelheden chemische en biologische moleculen te detecteren, zou nuttig kunnen zijn met biosensoren die worden gebruikt om kanker te detecteren, Malaria, HIV en andere ziekten."

Het kan handig zijn om chemicaliën te identificeren die in bepaalde soorten verf worden gebruikt. Dit kan nuttig zijn bij het opsporen van vervalste kunstwerken en bij het restaureren van verouderde kunstwerken. Ook, de technologie zou het vermogen van wetenschappers kunnen verbeteren om sporen van gifstoffen in de lucht te detecteren, water of andere ruimten die gezondheidsproblemen veroorzaken. En het zou kunnen helpen bij het opsporen van chemische wapens.

De National Science Foundation ondersteunde het onderzoek met een subsidie ​​om een ​​realtime in-vivo biosensingsysteem te ontwikkelen. Gan deelt de subsidie ​​met Josep M. Jornet en Zhi Sun, beide universitair docenten elektrotechniek aan de UB.