Los investigadores de laboratorio pueden haber encontrado una manera de mejorar la espectroscopía Raman como herramienta para la identificación de sustancias en concentraciones extremadamente bajas. Las aplicaciones potenciales de la espectroscopia Raman son el diagnóstico médico, medicamentos / desarrollo de productos químicos, medicina forense y sistemas de detección portátil para la seguridad nacional.
La capacidad de identificar las moléculas en concentraciones bajas con gran especificidad y procedimientos no invasivos, las mediciones no destructivas ha llevado a la creciente utilización de la espectroscopia Raman como técnica analítica aceptada. Sin embargo, un inconveniente de esta técnica ha sido su falta de sensibilidad y fiabilidad en concentraciones extremadamente bajas.
De izquierda a derecha: Elaine Behymer, Tiziana Bond (sentado) y postdoctorados Allan Chang y Bora Mihail.
La espectroscopía Raman consiste en observar la dispersión de la luz, por lo general de un láser, por las moléculas de una sustancia transparente. La diferencia en la longitud de onda de la luz dispersada y la luz incidente puede proporcionar información detallada sobre la naturaleza de la sustancia.
"Dispersión Raman proporciona una huella agradable de materiales de interés para la seguridad nacional", dijo Tiziana Bonos de LLNL 's Centro de Micro y Nano Tecnología.
Bond y su grupo de desarrollo de la superficie mejorada espectroscopia Raman (SERS), un método que aumenta la sensibilidad a las órdenes de magnitud por la mejora de las señales. Mismo tiempo que muestra un gran potencial, los sustratos utilizados para SERS, típicamente rugosa superficie del metal, han dado señales de variable considerada, hasta ahora, poco fiable. La superficie rugosa mejora la interacción de la molécula con el metal. El reto ha sido encontrar una manera de crear un sustrato con uniforme de las características topográficas que producen mejoras consistentes de la señal.
Parte de este trabajo se describe en un artículo publicado en la edición septiembre 2010 de la nanotecnología titulado "Superficie rigurosa Raman Caracterización espectral de gran superficie y alta uniformidad, recubiertos de plata cónicos sílice matrices nanopilares," que fue publicado por el enlace y su grupo, en colaboración con investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Mejora de nano-ingeniería técnicas y métodos de fabricación de semiconductores han permitido la producción de sustratos SERS - la capa de base o la textura, el 4 - a 6 pulgadas de obleas - que son más confiables. La clave está en los sustratos de "reproducibilidad" suficiente para un análisis fiable. Investigadores de LLNL han trabajado en diversas técnicas para lograr un sustrato más sólido y uniforme, que mantiene una alta sensibilidad y reproducibilidad.
Mejoras electromagnética y química son dos factores que afectan a la mejora SERS total (con respecto a Raman). La primera es más fuerte y es responsable de 106-108 mejoras magnitud, mientras que el segundo es normalmente responsable de 10-100 factores. Para aprovecharse de los efectos electromagnéticos, las nanoestructuras metálicas deben estar correctamente diseñado.
En un artículo titulado "Las cavidades de resonancia de plasmones en las matrices de nanohilos Vertical", publicado en la revista Nano Letters a principios de este año, el grupo de Bond, investigar un diseño innovador con una vertical de un soporte recubierto de oro serie de nanocables que proporcionan una mejora fuerte y controlable. La innovación del equipo del LLNL es la fabricación de "sintonizar" las cavidades de resonancia de plasmones en las matrices de alambre en posición vertical - las caries son el espacio entre los alambres verticales. Mihail Bora, un post-doctorado que se unió al grupo de Bond hace un año, está muy involucrado en esta parte del proyecto y explica que los plasmones superficiales son ondas electromagnéticas similares a la luz, a menos que se limitan a superficies metálicas. Puesta a punto de resonancia de plasmones se logra mediante el control de las dimensiones geométricas de la cavidad.
Que introducen la más pequeña cavidad óptica resonante que es miles de veces más pequeño que la longitud de onda de la luz y demostró que es posible ir más allá de este límite de difracción mediante el uso de plasmones de superficie. Las cavidades de resonancia se utilizan actualmente para mejorar la superficie de la espectroscopia Raman para detectar analitos químicos (concentración). "Al limitar la luz en espacios tan apretados que son capaces de crear intensos campos que son útiles en el aumento de la señal de la espectroscopia", dijo Bond.
Estas características de diseño ofrecen una serie de ventajas. Por ejemplo, permite que la sensibilidad de los sustratos a ser ajustado, o adaptados, a diferentes longitudes de onda ofrece a los investigadores una mayor versatilidad.
Entre las extensiones de la posible aplicación del sustrato plasmónica más allá de la mejora de la SERS se permite la demostración de la sub-longitud de onda de láser plasmónica, y la banda ancha matrices nanoantenas para la energía fotovoltaica, jugando con los factores de la geometría.
El trabajo del grupo ha sido financiado por la Defense Advanced Agencia de Proyectos de Investigación (DARPA) y de Investigación del Laboratorio Dirigido LLNL y el programa de Desarrollo (LDRD).