Een techniek die de ultragevoeligheid van oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing (SERS) combineert met een glad oppervlak, uitgevonden door onderzoekers van Penn State, zal het mogelijk maken om afzonderlijke moleculen van een aantal chemische en biologische soorten te detecteren uit gasvormige, vloeibare of vaste monsters. Deze combinatie van een glad oppervlak en op laser gebaseerde spectroscopie zal nieuwe toepassingen openen in de analytische chemie, moleculaire diagnostiek, milieumonitoring en nationale veiligheid.

De onderzoekers, onder leiding van Tak-Sing Wong, universitair docent werktuigbouwkunde en de Wormley Family Early Career Professor in Engineering, noemen hun uitvinding SLIPSERS, wat een combinatie is van Wong's gladde, met vloeistof doordrenkte poreuze oppervlakken (SLIPS), een biologisch geïnspireerd oppervlak op basis van de Aziatische bekerplant, en SERS.

"We hebben geprobeerd een sensorplatform te ontwikkelen waarmee we chemicaliën of biomoleculen op een enkel molecuulniveau kunnen detecteren, of ze nu in de lucht zijn verspreid, vloeibare fase, of gebonden aan een vaste stof, " zei Wong. "In staat zijn om een ​​enkel molecuul te identificeren is al behoorlijk moeilijk. In staat zijn om die moleculen in alle drie de fasen te detecteren, dat is echt een uitdaging."

Wong had de hulp nodig van postdoctoraal fellow Shikuan Yang om SERS en SLIPS in één proces te combineren. Yang werd opgeleid in Raman-spectroscopie in het karakteriseringslaboratorium van het Materials Research Institute van Penn State. Zijn expertise in de SERS-techniek en Wong's kennis van SLIPS stelden hen in staat de SLIPSERS-technologie te ontwikkelen. Hun werk verscheen op 31 december online, 2015 in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Raman-spectroscopie is een bekende methode om materialen in vloeibare vorm te analyseren met behulp van een laser om te interageren met de trillende moleculen in het monster. De unieke trilling van het molecuul verschuift de frequentie van de fotonen in de laserlichtbundel omhoog of omlaag op een manier die alleen kenmerkend is voor dat type molecuul. Typisch, het Raman-signaal is erg zwak en moet op de een of andere manier worden verbeterd voor detectie. In de jaren zeventig, onderzoekers ontdekten dat het chemisch opruwen van het oppervlak van een zilversubstraat het Raman-signaal van het op het zilver geadsorbeerde materiaal concentreerde, en SERS was geboren.

Wong ontwikkelde SLIPS als postdoctoraal onderzoeker aan Harvard University. SLIPS bestaat uit een oppervlak dat is gecoat met regelmatige reeksen nanoschaalpalen doordrenkt met een vloeibaar smeermiddel dat zich niet vermengt met andere vloeistoffen. De kleine afstand van de nanopalen houdt de vloeistof tussen de palen vast en het resultaat is een glad oppervlak waaraan niets hecht.

"Het probleem is dat proberen een paar moleculen in een vloeibaar medium te vinden, is als proberen een speld in een hooiberg te vinden, zei Wong. "Maar als we een proces kunnen ontwikkelen om de omvang van dit vloeistofvolume geleidelijk te verkleinen, we kunnen een beter signaal krijgen. Om dat te doen hebben we een oppervlak nodig dat de vloeistof gelijkmatig laat verdampen tot het op micro- of nanoschaal komt. Andere oppervlakken kunnen dat niet, en dat is waar SLIPS om de hoek komt kijken."

Als een druppel vloeistof op een normaal oppervlak wordt geplaatst, het zal van boven naar beneden beginnen te krimpen. Als de vloeistof verdampt, de doelmoleculen worden achtergelaten in willekeurige configuraties met zwakke signalen. Maar als alle moleculen kunnen worden geclusterd tussen de gouden nanodeeltjes, ze zullen een zeer sterk Raman-signaal produceren.

"Eerst moeten we geleidende nanodeeltjes gebruiken, zoals goud, " legde Shikuan Yang uit. "En dan moeten we ze in elkaar zetten zodat ze gaten op nanoschaal tussen de deeltjes maken, hotspots genoemd. De moleculen binden zich aan de gaten en er vormt zich een zeer sterk elektromagnetisch veld. Als we een laser met de juiste golflengte hebben, de elektronen zullen oscilleren en er zal zich een sterk magnetisch veld vormen in het spleetgebied. Dit geeft ons een heel sterk signaal."

Hoewel er andere technieken zijn waarmee onderzoekers moleculen op een oppervlak kunnen concentreren, die technieken werken meestal met water als medium. SLIPS kan met elke organische vloeistof worden gebruikt.

"Onze techniek opent grotere mogelijkheden voor mensen om andere soorten oplosmiddelen te gebruiken om SERS-detectie met één molecuul uit te voeren, zoals omgevingsdetectie in bodemmonsters, " zei Yang. "Als je alleen water kunt gebruiken, dat is erg beperkend. "In de biologie, onderzoekers willen misschien een enkele basenpaar-mismatch in DNA detecteren. Ons platform zal hen die gevoeligheid geven."

Een van de volgende stappen is het detecteren van biomarkers in bloed voor diagnose van ziekten in de zeer vroege stadia van kanker, wanneer de ziekte gemakkelijker te behandelen is.

"We hebben een gemeenschappelijk eiwit ontdekt, maar heb nog geen kanker ontdekt, ' zei Yang.

Hoewel de SLIPS-technologie is gepatenteerd en in licentie is gegeven, het team heeft geen octrooibescherming aangevraagd op hun SLIPSERS-werk.

"We zijn van mening dat het aanbieden van deze technologie aan het publiek ervoor zal zorgen dat deze in een veel sneller tempo wordt ontwikkeld, " zei professor Wong. "Dit is een krachtig platform waarvan we denken dat veel mensen er baat bij zullen hebben."