Met behulp van conventionele testtechnieken kan het een uitdaging – soms onmogelijk – zijn om schadelijke verontreinigingen zoals nanoplastics, luchtverontreinigende stoffen en microben in levende organismen en natuurlijke materialen te detecteren. Deze verontreinigingen worden soms in zulke kleine hoeveelheden aangetroffen dat tests ze niet betrouwbaar kunnen oppikken.

Dit kan echter binnenkort veranderen. De opkomende nanotechnologie (gebaseerd op een "verdraaide" lichttoestand) belooft het gemakkelijker te maken om de chemische samenstelling van onzuiverheden en hun geometrische vorm te identificeren in monsters van lucht, vloeistof en levend weefsel.

Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Bath draagt ​​bij aan deze technologie, die de weg kan vrijmaken voor nieuwe methoden voor milieumonitoring en geavanceerde medicijnen. Hun werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .

De opkomende chemische detectietechniek is gebaseerd op een licht-materie-interactie die bekend staat als het Raman-effect. Het Raman-effect treedt op wanneer een materiaal dat met een bepaalde lichtkleur wordt verlicht, verstrooit en het licht verandert in een groot aantal enigszins verschillende kleuren. Het produceert in wezen een mini-regenboog die afhankelijk is van hoe atomen in materialen trillen.

Het meten van de kleuren van de Raman-regenboog onthult individuele atomaire bindingen omdat moleculaire bindingen verschillende trillingspatronen hebben. Elke verbinding binnen een materiaal produceert zijn eigen unieke kleurverandering ten opzichte van die van de verlichting. Alles bij elkaar dienen de kleuren in de Raman-regenboog voor het detecteren, analyseren en monitoren van de chemische samenstelling (chemische bindingen) van complexe moleculen, zoals die worden aangetroffen in mengsels van milieuverontreinigende stoffen.

"Het Raman-effect dient om pesticiden, farmaceutische producten, antibiotica, zware metalen, ziekteverwekkers en bacteriën te detecteren. Het wordt ook gebruikt voor het analyseren van individuele atmosferische aerosolen die de menselijke gezondheid en het klimaat beïnvloeden", zegt Dr. Robin Jones van het Departement Natuurkunde in Bath. wie is de eerste auteur van het onderzoek.

Schadelijke verontreinigende stoffen

Co-auteur professor Liwu Zhang van de afdeling Milieuwetenschappen van de Fudan Universiteit in China zei verder:“Aquatische verontreinigende stoffen kunnen zich, zelfs in sporenhoeveelheden, ophopen in levende organismen via de biologische keten. Dit vormt een bedreiging voor de menselijke gezondheid en het dierenwelzijn. en wilde dieren. Over het algemeen is het erg moeilijk om precies te weten wat de chemische samenstelling van complexe mengsels is."

Professor Ventsislav Valev uit Bath, die de studie leidde, voegde hieraan toe:“Het begrijpen van complexe, potentieel schadelijke verontreinigende stoffen in het milieu is noodzakelijk, zodat we kunnen leren hoe we ze kunnen afbreken in onschadelijke componenten. Maar het gaat niet alleen om welke atomen het zijn. De manier waarop de atomen zijn gerangschikt, is van groot belang:het kan bepalend zijn voor de manier waarop moleculen werken, vooral in levende organismen.

"Ons werk heeft tot doel nieuwe manieren te ontwikkelen waarop het Raman-effect ons kan vertellen over de manier waarop atomen in de ruimte zijn gerangschikt en nu hebben we een belangrijke technologische stap gezet met behulp van kleine helixvormige antennes gemaakt van goud."

Het Raman-effect is erg zwak:slechts één op de 1.000.000 fotonen (lichtdeeltjes) ondergaat de kleurverandering. Om dit te verbeteren gebruiken wetenschappers miniatuurantennes die op nanoschaal zijn gefabriceerd en die het invallende licht naar de moleculen kanaliseren. Vaak zijn deze antennes gemaakt van edelmetalen en wordt hun ontwerp beperkt door de mogelijkheden van nanofabricage.

Het team in Bath gebruikte de kleinste spiraalvormige antennes die ooit zijn gebruikt:hun lengte is 700 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar en de breedte van de antennes is 2800 keer kleiner. Deze antennes zijn gemaakt van goud door wetenschappers in het team van professor Peer Fischer aan de Universiteit van Stuttgart in Duitsland.

"Onze metingen laten zien dat deze spiraalvormige antennes helpen om veel Raman-regenboogfotonen uit moleculen te halen", zegt dr. Jones. "Maar wat nog belangrijker is, de spiraalvorm vergroot het verschil tussen twee soorten licht die vaak worden gebruikt om de geometrie van moleculen te onderzoeken. Dit staat bekend als circulair gepolariseerd licht.

"Circulair gepolariseerd licht kan links- of rechtshandig zijn en onze helices kunnen in principe handdrukken met licht. En omdat we de helices naar links of naar rechts kunnen laten draaien, kan de handdruk met licht die we hebben bedacht zowel met linker- of rechterhand."

"Hoewel dergelijke handdrukken al eerder zijn waargenomen, is de belangrijkste vooruitgang hier dat we voor het eerst aantonen dat het door moleculen wordt gevoeld, omdat het hun Raman-regenboog beïnvloedt. Dit is een belangrijke stap die ons in staat zal stellen efficiënt en betrouwbaar onderscheid te maken tussen links- en rechtshandige moleculen, eerst in het laboratorium en daarna in de omgeving."

Kristalviolet

Om aan te tonen dat het nieuwe handschudden tussen licht en antennes op moleculen kan worden overgedragen, hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van moleculen – kristalviolet – die zelf niet in staat zijn om met licht te 'handshaken'. Toch gedroegen deze moleculen zich alsof ze deze functie konden vervullen, en brachten ze het 'handshake'-vermogen tot uitdrukking van de gouden nanohelices waaraan ze waren bevestigd.

"Een ander belangrijk aspect van ons werk hier is dat we met twee industriële partners hebben samengewerkt", zegt professor Valev. "VSParticle produceert standaard nanomaterialen voor het meten van Ramanlicht. Het hebben van gemeenschappelijke standaarden is erg belangrijk voor onderzoekers over de hele wereld om resultaten te kunnen vergelijken."

Hij voegde hieraan toe:“Onze industriële partner Renishaw PLC is een wereldwijd toonaangevende fabrikant van Raman-spectroscopie- en microscopieapparatuur. Dergelijke partnerschappen zijn essentieel, zodat nieuwe technologie uit de laboratoria naar de echte wereld kan verhuizen, waar de uitdagingen op milieugebied bestaan. "

Voortbouwend op dit werk werkt het team nu aan de ontwikkeling van meer geavanceerde vormen van Raman-technologieën.

Meer informatie: Robin R. Jones et al, Dense Arrays of Nanohelices:Raman-verstrooiing van achirale moleculen onthult de verbeteringen in het nabije veld bij chirale metasurfaces, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202209282

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door Universiteit van Bath