Νέα μέθοδος ανίχνευσης όπως και χημικών όπλων

[Giannis]

Από την ασφάλεια του αεροδρομίου που ανιχνεύει εκρηκτικά μέχρι τους ιστορικούς τέχνης που πιστοποιούν την αυθεντικότητα των πινάκων, η δίψα της κοινωνίας για ισχυρούς αισθητήρες αυξάνεται.

Δεδομένου αυτού, λίγες τεχνικές ανίχνευσης μπορούν να ταιριάζουν με το βουητό που δημιουργείται από τη φασματοσκοπία Raman ενισχυμένης επιφάνειας (SERS).

Ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1970, το SERS είναι μια τεχνική ανίχνευσης που εκτιμάται για την ικανότητά της να εντοπίζει χημικά και βιολογικά μόρια σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων. Έχει κυκλοφορήσει στο εμπόριο, αλλά όχι ευρέως, επειδή τα υλικά που απαιτούνται για την εκτέλεση της ανίχνευσης καταναλώνονται κατά τη χρήση, είναι σχετικά ακριβά και πολύπλοκα στην κατασκευή.

Αυτό μπορεί να αλλάξει σύντομα.

Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τους μηχανικούς του Πανεπιστημίου του Μπάφαλο ανέπτυξε νανοτεχνολογία που υπόσχεται να κάνει το SERS απλούστερο και πιο προσιτό.

Όπως περιγράφεται σε μια ερευνητική εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο περιοδικό Advanced Materials Interfaces , η πρόοδος της φωτονικής στοχεύει να βελτιώσει την ικανότητά μας να ανιχνεύουμε ίχνη μορίων σε ασθένειες, παράγοντες χημικού πολέμου , δόλιες ζωγραφιές, περιβαλλοντικούς ρύπους και άλλα.

"Η τεχνολογία που αναπτύσσουμε - ένα καθολικό υπόστρωμα για SERS - είναι ένα μοναδικό και, ενδεχομένως, επαναστατικό χαρακτηριστικό. Μας επιτρέπει να εντοπίζουμε και να μετράμε γρήγορα χημικά και βιολογικά μόρια χρησιμοποιώντας μια ευρυζωνική νανοδομή που παγιδεύει μεγάλο εύρος φωτός", δήλωσε ο Qiaoqiang. Gan, επίκουρος καθηγητής ηλεκτρολόγων μηχανικών στο UB και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Πρόσθετοι συγγραφείς της μελέτης είναι οι εξής: Υποψήφιοι διδάκτορες UB στην ηλεκτρολόγια μηχανική Nan Zhang, Kai Liu, Haomin Song, Xie Zeng, Dengxin Ji και Alec Cheney. και Suhua Jiang, αναπληρωτής καθηγητής επιστήμης υλικών, και Zhejun Liu, υποψήφιος διδάκτορας, και οι δύο στο Πανεπιστήμιο Fudan στην Κίνα.

Όταν ένα ισχυρό λέιζερ αλληλεπιδρά με χημικά και βιολογικά μόρια, η διαδικασία μπορεί να διεγείρει τους τρόπους δόνησης αυτών των μορίων και να παράγει ανελαστική σκέδαση, που ονομάζεται επίσης σκέδαση Raman, του φωτός. Καθώς η δέσμη χτυπά αυτά τα μόρια, μπορεί να παράγει φωτόνια που έχουν διαφορετική συχνότητα από το φως του λέιζερ. Αν και πλούσιο σε λεπτομέρειες, το σήμα από τη σκέδαση είναι αδύναμο και δύσκολο να διαβαστεί χωρίς ένα πολύ ισχυρό λέιζερ.

Το SERS αντιμετωπίζει το πρόβλημα χρησιμοποιώντας ένα υπόστρωμα με νανομοτίβα που ενισχύει σημαντικά το πεδίο φωτός στην επιφάνεια και, επομένως, την ένταση σκέδασης Raman. Δυστυχώς, τα παραδοσιακά υποστρώματα σχεδιάζονται συνήθως μόνο για ένα πολύ στενό εύρος μηκών κύματος.

Αυτό είναι προβληματικό γιατί χρειάζονται διαφορετικά υποστρώματα εάν οι επιστήμονες θέλουν να χρησιμοποιήσουν διαφορετικό λέιζερ για να δοκιμάσουν τα ίδια μόρια. Με τη σειρά του, αυτό απαιτεί περισσότερα χημικά μόρια και υποστρώματα, αυξάνοντας το κόστος και τον χρόνο για την εκτέλεση της δοκιμής.

Το γενικό υπόστρωμα λύνει το πρόβλημα επειδή μπορεί να παγιδεύσει ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος και να τα συμπιέσει σε πολύ μικρά κενά για να δημιουργήσει ένα έντονα ενισχυμένο πεδίο φωτός.

Η τεχνολογία αποτελείται από ένα λεπτό φιλμ από ασήμι ή αλουμίνιο που λειτουργεί ως καθρέφτης και ένα διηλεκτρικό στρώμα πυριτίου ή αλουμίνας. Το διηλεκτρικό διαχωρίζει τον καθρέφτη με μικροσκοπικά μεταλλικά νανοσωματίδια που βρίσκονται σε τυχαία απόσταση στην κορυφή του υποστρώματος.

"Λειτουργεί παρόμοια με ένα σκελετό κλειδί. Αντί να χρειάζεστε όλα αυτά τα διαφορετικά υποστρώματα για τη μέτρηση των σημάτων Raman που διεγείρονται από διαφορετικά μήκη κύματος, θα χρειαστείτε τελικά μόνο ένα. Ακριβώς όπως ένα κλειδί σκελετού που ανοίγει πολλές πόρτες", είπε ο Zhang.

«Οι εφαρμογές μιας τέτοιας συσκευής είναι εκτεταμένες», είπε ο Kai Liu. «Η ικανότητα ανίχνευσης ακόμη μικρότερων ποσοτήτων χημικών και βιολογικών μορίων θα μπορούσε να είναι χρήσιμη με βιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση καρκίνου, ελονοσίας, HIV και άλλων ασθενειών».

Θα μπορούσε να είναι χρήσιμος ο εντοπισμός χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται σε ορισμένους τύπους βαφής. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανίχνευση πλαστών έργων τέχνης καθώς και στην αποκατάσταση παλαιών κομματιών τέχνης. Επίσης, η τεχνολογία θα μπορούσε να βελτιώσει την ικανότητα των επιστημόνων να ανιχνεύουν ίχνη τοξινών στον αέρα, το νερό ή άλλους χώρους που προκαλούν ανησυχίες για την υγεία. Και θα μπορούσε να βοηθήσει στον εντοπισμό χημικών όπλων.

Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών υποστήριξε την έρευνα σε μια επιχορήγηση για την ανάπτυξη ενός συστήματος βιοαισθητήρα in-vivo σε πραγματικό χρόνο. Ο Gan μοιράζεται την επιχορήγηση με τον Josep M. Jornet και τον Zhi Sun, και οι δύο επίκουροι καθηγητές ηλεκτρολόγων μηχανικών στο UB.