Wissenschaftler an der ETH Zürich und dem Lawrence Livermore National Laboratory ( LLNL ) in Kalifornien haben einen innovativen Sensor entwickelt für die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS ) . Dank ihrer einzigartigen Oberflächeneigenschaften im Nanomaßstab , kann das Verfahren verwendet werden, um Analysen , die zuverlässiger , empfindlicher und kostengünstig sind auszuführen. Bei Versuchen mit dem neuen Sensor , konnten die Forscher in der Lage, eine bestimmte organische Spezies ( 1,2bis ( 4-pyridyl) Ethylen oder BPE) in einer Konzentration von einigen hundert Femtomol pro Liter zu erkennen. A 100 femtomolar Lösung enthält rund 60 Millionen Molekülen pro Liter.
Bis jetzt war die Nachweisgrenze des gemeinsamen SERS -Systeme war im nanomolaren Bereich , also ein Milliardstel Maulwurf. Die Ergebnisse einer Studie, die von Hyung Gyu Park, Professor für Energietechnik an der ETH Zürich und Tiziana Bond, Capability Leiter am LLNL durchgeführt , wurden diese Woche als Leitartikel in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht .
Raman -Spektroskopie nutzt die Tatsache, daß Moleküle, die durch Festfrequenzlichtweisen beleuchtete " unelastisch " Streuung eng an die Schwingungs- und Rotationsmodenim Molekül angeregt bezogen . Raman-Streulicht unterscheidet sich von üblicher Rayleigh -Streulicht , daß sie unterschiedliche Frequenzen als die des eingestrahlten Lichts und erzeugt ein bestimmtes Frequenzmuster für jede untersuchte Substanz , so dass es möglich ist, diese Frequenzinformationen wie ein Fingerabdruck zur Erkennung und Identifizierung spezifischer Substanzen verwenden . Um einzelne Moleküle zu analysieren , müssen die Frequenzsignale verstärkt werden , die , dass das Molekül in Frage entweder in hoher Konzentration vorhanden sind oder sich in der Nähe einer metallischen Oberfläche , die das Signal verstärkt werden muss. Daher auch der Name der Methode: oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie.
Verstärkte Signale für verbesserte Reproduzierbarkeit
" Diese Technologie hat es schon seit Jahrzehnten ", erklärt Ali Altun , Doktorand in der Gruppe von Park am Institut für Energietechnik geführt. Mit der heutigen SERS -Sensoren ist jedoch die Signalstärke nur in Einzelfällen und führt zu Ergebnissen mit geringer Reproduzierbarkeit ausreichend. Altun , Bond und Park deshalb setzten sich das Ziel, ein Sensor, der massiv verstärkt die Signale der Raman - Streulicht .
Das Substrat der Wahl erwiesen sich vertikal angeordnet sein , caespitose , dicht gepackten Kohlenstoffnanoröhren ( CNT) , das diesen hohen Dichte von "hot spots" zu gewährleisten. Die Gruppe entwickelte Techniken, um dichte Wälder von CNTs in einer einheitlichen und kontrollierten Art und Weise zu wachsen. Die Verfügbarkeit dieses Know-how war eine der Hauptmotivationenfür die Verwendung von Nanoröhren als Basis für hochempfindliche Sensoren SERS , sagt Park .
Ein spaghettiartigen Oberfläche
Die Spitzen der CNTs sind stark gekrümmt , und die Forscher beschichteten diese Tipps mit Gold und Hafniumdioxid , eine dielektrische Isolationsmaterial . Der Berührungspunkt zwischen der Oberfläche des Sensors und der Probe ähnelt somit einen Teller Spaghetti mit Sauce gekrönt . Doch zwischen den Strängen von Spaghetti , gibt es zahlreiche zufällig angeordneten Löchern , die durch Streulicht zu lassen, und die vielen Berührungspunkte - die "Hot Spots" - verstärken die Signale .
" Ein Verfahren zur Herstellung hochempfindlicher SERS -Sensoren ist , um von den Kontaktstellen der Metallnanodrähtezu nehmen ", erklärt Park . Die Nano- Spaghetti -Struktur mit metallbeschichteten CNT Tipps ist perfekt für die Maximierung der Dichte dieser Kontaktstellen .
Tatsächlich Bond erklärt , die Verbreitung von metallischen Nanospaltenim Nanometerbereich , gut erkannt verantwortlich für extreme elektromagnetische Verstärkung (oder Hot Spots ) und von vielen Forschungsgruppen hoch verfolgt zu sein , hat sich leicht und schnell von der Mannschaft erreicht , was zu der intensiven und reproduzierbare Verbesserungen.
Der Sensor unterscheidet sich von anderen vergleichbaren hochempfindliche SERS -Sensoren nicht nur hinsichtlich ihrer Struktur , sondern auch wegen seiner relativ kostengünstigen und einfachen Herstellungsverfahren und der sehr großen Oberfläche der 3D-Strukturen Erzeugen eines intensiven , gleichförmiges Signal .
Ein Durchbruch auf zwei Ebenen
Zunächst haben die Forscher nur beschichtet die Spitzen der CNTs mit Gold. Die ersten Experimente mit dem BPE Testmolekül zeigte ihnen , dass sie auf dem richtigen Weg waren, aber dass die Nachweisgrenze nicht ganz den Grad erhofft reduziert werden. Schließlich entdeckten sie, dass die Elektronen auf die Goldschichtoberflächezu erzeugen , was als wurden Plasmonresonanz erfolgt über die leitenden Kohlenstoff-Nanoröhren fließt, bezeichnet erforderlich. Die Aufgabe war dann , um herauszufinden , wie Sie diese Plasmonen Energie Auslaufen zu verhindern.
Die Forscher überzogen die CNTs mit Hafniumoxid, einem Isoliermaterial , vor dem Auftragen einer Schicht aus Gold . "Das war der Durchbruch ", sagt Altun . Die Isolationsschicht erhöht die Empfindlichkeit der Sensorsubstrat um einen Faktor von 100.000 im molaren Konzentrationseinheit .
"Für uns als Wissenschaftler , war dies ein Moment des Triumphes ", stimmt Park ", und es hat uns gezeigt, dass wir die richtige Hypothese und ein rationales Design gemacht hatte. "
Der Schlüssel zur erfolgreichen Entwicklung des Sensors war daher zweierlei: auf der einen Seite , ihre Entscheidung, weiterhin mit CNTs , dessen Morphologie ist für die Maximierung der Anzahl der "Hot Spots" , und auf der anderen Seite war es , war es die dass diese Nanoröhren wurden doppelt beschichtet.
Park und Bond möchte nun einen Schritt weiter gehen und ihre neuen Prinzip auf den Markt bringen , aber sie sind noch auf der Suche sind ein Industriepartner . Als nächstes wollen sie auch weiterhin die Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensors , und sie sind auch auf der Suche nach potenziellen Anwendungsbereiche. Park sieht die Installation der Technik in tragbaren Geräten , beispielsweise zur Vor-Ort- Analyse von chemischen Verunreinigungen, wie Umweltgifte oder Arzneimittelrückstände in Wasser zu erleichtern. Er betont, dass die Erfindung eines neuen Gerätes ist nicht notwendig ; es ist einfach , den Sensor in geeigneter Weise zu installieren.
Weitere Anwendungspotenziale forensische Untersuchungen oder militärische Anwendungen zur Früherkennung von chemischen oder biologischen Waffen , biomedizinische Anwendung für Echtzeit- Point- of-Care- Überwachung von physiologischen Konzentrationen und schnelle Screening von Medikamenten und Giftstoffen im Bereich der Strafverfolgung.