Durchbruch in der hochempfindlichen Sensorik
Princeton -Forscher haben eine hochempfindliche Sensor , die sich öffnet neue Wege, um eine breite Palette von Substanzen erkennen , von verräterischen Anzeichen von Krebs zu versteckten Sprengstoff erfunden .
Der Sensor, der die empfindlichste ihrer Art auf dem neuesten Stand ist , stützt sich auf eine komplett neue Architektur und die Herstellungstechnik von den Princeton -Forscher entwickelt. Vorrichtung steigert schwache Signale von der Streuung von Laserlicht aus einem Material auf sie gesetzt wird erzeugt , die eine Identifizierung von verschiedenen Substanzen auf der Basis der Farbe des Lichts reflektieren sie . Die Probe kann so klein wie ein einziges Molekül sein.
Die Technologie ist ein bedeutender Fortschritt in der jahrzehntelangen Suche nach Materialien mit Raman-Streuung , ein Phänomen in den 1920er Jahren von einem indischen Physiker Chandrasekhara Raman , in dem Licht, die aus einem Objekt trägt eine Unterschrift seiner molekularen Zusammensetzung und Struktur entdeckt zu identifizieren.
" Raman-Streuung hat ein enormes Potenzial in der biologischen und chemischen Sensorik und konnte viele Anwendungen in Industrie, Medizin, Militär und anderen Bereichen haben ", sagte Stephen Y. Chou, der Professor für Elektrotechnik , die das Forschungsteam führte . "Aber aktuelle Raman -Sensoren sind so schwach, dass ihre Verwendung ist sehr außerhalb der Forschung beschränkt. Wir haben einen Weg , um das Signal über die gesamte Sensor erheblich verbessern entwickelt und dass die Landschaft , wie Raman-Streuung kann verwendet werden, verändern könnte . "
Chou und seine Mitarbeiter , Elektrotechnik Doktoranden, Wen- Di Li und Fei Ding und Postdoktorand , Jonathan Hu, ein Papier über ihre Innovationen im Februar in der Zeitschrift Optics Express .Die Forschung wurde von der Defense Advance- Research Projects Agency finanziert.
In Raman -Streuung, wird ein Strahl aus reinem einfarbigem Licht auf ein Ziel gerichtet , aber das reflektierte Licht von dem Objekt enthält zwei zusätzliche Lichtfarben . Die Häufigkeit dieser zusätzlichen Farben sind einzigartig in der molekularen Aufbau des Stoffes , existiert möglicherweise ein Verfahren , um die Identität des Stoffes , analog zu der Art und Weise ein Fingerabdruck oder DNA- Signatur hilft bei der Identifizierung einer Person zu bestimmen.
Ein Durchbruch , der ihn verdient Nobelpreis - - Ingenieure haben von der Verwendung in Alltagsgeräten , die molekulare Zusammensetzung und Struktur der Stoffe zu identifizieren geträumt, aber für viele Materialien die Stärke der zusätzlichen Farben reflektierte Licht war zu schwach , da Raman ersten Phänomene entdeckt selbst mit den modernsten Laborgeräte zu sehen.
Forscher entdeckt, in den 1970er Jahren , dass die Raman-Signale waren viel stärker, wenn der Stoff zu identifizieren auf einer unebenen Metalloberfläche oder winzigen Teilchen aus Gold oder Silber gegeben. Die Technik, die als Oberflächen bekannt verstärkte Raman-Streuung (SERS ) , war vielversprechend , aber auch nach vier Dekaden der Forschung hat sich als schwierig erwiesen , um in der Praxis eingesetzt . Die starken Signale erschienen nur an einigen zufälligen Punkten auf der Sensoroberfläche , wodurch es schwierig , vorherzusagen , wo das Signal zu messen , und was zu einer schwachen Gesamtsignal für einen derartigen Sensor .
Der Verzicht auf die bisherigen Methoden zur Entwicklung und Herstellung von Sensoren , Chou und seine Kollegen entwickelten eine völlig neue Architektur SERS : einen Chip mit einer gleichmäßigen Reihen winziger Säulen von Metallen und Isolatoren besetzt.
Ein Geheimnis des Designs der Chou Teams ist es , dass ihre Säule Arrays grundsätzlich verschieden von denen von anderen Forschern untersucht sind . Ihre Struktur besteht aus zwei Hauptkomponenten: einen Hohlraum, der von Metall auf der Oberseite und auf der Basis jeder Säule gebildet wird; und Metallpartikel von etwa 20 Nanometer im Durchmesser , wie plasmonic Nanodots bekannt , auf der Säulenwand , mit kleinen Lücken von etwa 2 Nanometer zwischen den Metallkomponenten .
Die kleinen Teilchen und Lücken deutlich steigern das Raman-Signal . Die Hohlräume dienen als Antennen , Trapping Licht des Lasers so leitet die Plasmonen Nanopunkte mehrmals, um das Raman-Signal und nicht nur einmal zu generieren. Die Hohlräume erhöht auch die ausgehenden Raman-Signal .
Die Chou -Team mit dem Namen ihrer neuen Sensor " scheiben gekoppelt Punkte -on -Säulen- Antenne - Array " oder D2PA , kurz .
Bisher ist der Chip eine Milliarde Mal (109) empfindlicher als war ohne SERS Verstärkung der Raman-Signale möglich und der Sensor gleichmäßig empfindlich , so dass es sicherer für den Einsatz in Messvorrichtungen . Solche Empfindlichkeit um mehrere Größenordnungen höher als die zuvor berichtet.
Schon jetzt sind Forscher an der US Naval Research Laboratory mit einem weniger empfindlichen Chip zu experimentieren, um herauszufinden, ob das Militär die Technologie an der Princeton Pionier zum Nachweis von Chemikalien , biologische Arbeitsstoffe und Sprengstoffe verwenden.
Abgesehen davon, dass sehr viel empfindlicher als seine Vorgänger kann der Princeton -Chip kostengünstig in großen Größen und in großen Mengen hergestellt werden. Dies ist auf die easy-to- build Art des Sensors und eine neue Kombination von zwei leistungsfähigen Nanofabrikationstechniken: Nanoimprint , eine Methode, die winzigen Strukturen im Cookie-Cutter Weise hergestellt werden können ; und Selbstorganisation , eine Technik, wo winzige Teilchen alleine. Chou Team hat diese Sensoren auf 4- Zoll-Wafer ( die Basis von elektronischen Chips ) hergestellt und kann die Herstellung , viel größere Waferformat anpassen.
"Das ist eine sehr leistungsfähige Methode , um Moleküle zu identifizieren ", sagte Chou . "Die Kombination aus einem Sensor, der Signale weit über das bisher möglich war erhöht , das einheitlich in seiner Empfindlichkeit und das ist einfach zu Massenproduktion könnte die Landschaft der Sensorik und was ist mit Sensor möglich zu ändern. "
Quelle:
Chris Emery
Princeton University , Ingenieurschule