Een internationaal team van onderzoekers van Penn State heeft een zeer gevoelige chemische sensor ontwikkeld op basis van Raman-spectroscopie en met stikstof-gedoteerd grafeen als substraat. In dit geval, doping verwijst naar het introduceren van stikstofatomen in de koolstofstructuur van grafeen. Deze techniek kan sporen van moleculen in een oplossing in zeer lage concentraties detecteren, zo'n 10, 000 keer meer verdund dan met het blote oog kan worden waargenomen.

Raman-spectroscopie is een algemeen aanvaarde identificatietechniek die wordt gebruikt in de chemie, materiaalwetenschap en de farmaceutische industrie om de unieke interne trillingen van verschillende moleculen te detecteren. Wanneer een laserlicht kristallen of moleculen bestraalt, het verstrooit en verschuift kleuren. Dat verstrooide licht kan worden gedetecteerd in de vorm van een Raman-spectrum, die bijna als een vingerafdruk dient voor elk Raman-actief bestraald systeem.

"In principe, verschillende kleuren in het zichtbare spectrum worden geassocieerd met verschillende energieën, " zei Mauricio Terrones, hoogleraar natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde aan Penn State, die het onderzoek leidde. "Stel je voor dat elk molecuul een bepaalde lichte kleurafgifte heeft, soms geel, soms groen. Die kleur wordt geassocieerd met een discrete energie."

Het team koos drie soorten fluorescerende kleurstofmoleculen voor hun experimenten. Fluorescerende kleurstoffen, die vaak worden gebruikt als markers in biologische experimenten, zijn bijzonder moeilijk te detecteren in Raman-spectroscopie omdat de fluorescentie de neiging heeft het signaal uit te wassen. Echter, wanneer de kleurstof wordt toegevoegd aan het grafeen of N-gedoteerde grafeensubstraat, de fotoluminescentie - fluorescentie - wordt gedoofd.

Op zichzelf, het Raman-signaal is zo zwak dat er veel methoden zijn gebruikt om het signaal te versterken. Een recent ontwikkelde verbeteringstechniek maakt gebruik van ongerept grafeen als substraat, die het Raman-signaal met verschillende ordes van grootte kan verbeteren. In een paper dat vandaag (22 juli) online is gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , Terrones en collega's onthulden dat het toevoegen van stikstofatomen aan het ongerepte grafeen de gevoeligheid verder verbetert en, belangrijk, ze gaven een theoretische verklaring voor hoe grafeen en N-gedoteerd grafeen de verbetering veroorzaken.

"Door stikstofdoping te beheersen, kunnen we de energiekloof van het grafeen verschuiven, en de verschuiving creëert een resonantie-effect dat de vibrationele Raman-modi van het molecuul aanzienlijk verbetert, " zei hoofdauteur Simin Feng, een afgestudeerde student in de groep van Terrones.

"Dit is fundamenteel onderzoek, " zei Ana Laura Elias, een co-auteur en onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Terrones. "Het is moeilijk om de verbetering te kwantificeren, omdat deze voor elk materiaal en elke kleur licht anders zal zijn. Maar in sommige gevallen we gaan van nul naar iets dat we voor het eerst kunnen detecteren. Je kunt dan veel functies zien en veel natuurkunde bestuderen. Voor mij is het belangrijkste aspect van dit werk ons ​​begrip van het fenomeen. Dat zal leiden tot verbeteringen in de techniek."

Terrones heeft toegevoegd, "We hebben uitgebreid theoretisch en experimenteel werk gedaan. We kwamen met een verklaring waarom met stikstof gedoteerd grafeen veel beter werkt dan gewoon grafeen. Ik denk dat het een doorbraak is, omdat we in ons artikel het mechanisme van het detecteren van bepaalde moleculen uitleggen."

Vanwege de chemische inertie en biocompatibiliteit van grafeen, het team verwacht dat de nieuwe techniek effectief zal zijn in het detecteren van sporen van organische moleculen. Elias is enthousiast over het vooruitzicht om de techniek te combineren met beschikbare draagbare Raman-spectrometers die naar afgelegen plaatsen kunnen worden gebracht om te detecteren, bijvoorbeeld, gevaarlijke virussen. De fluorescerende kleurstoffen die ze hebben bestudeerd, zullen het snel en gemakkelijk maken om de aanwezigheid van verbindingen in biologische cellen te zien. Omdat de techniek eenvoudig is - dompel het grafeensubstraat gewoon voor een korte tijd in een oplossing - het zou haalbaar moeten zijn om een ​​volledige bibliotheek van het Raman-spectrum van specifieke moleculen te creëren, zei Terrones.

Onderzoekers uit Brazilië, China en Japan hebben aan dit werk bijgedragen tijdens een bezoek aan het Terrones-lab in Penn State. Het artikel is getiteld "Ultragevoelige moleculaire sensor met behulp van N-gedoteerde grafeen door middel van verbeterde Raman-verstrooiing."