Un equipo internacional de investigadores que trabaja en Penn State desarrolló un sensor químico altamente sensible basado en espectroscopía Raman y que utiliza grafeno dopado con nitrógeno como sustrato. En este caso, el dopaje se refiere a la introducción de átomos de nitrógeno en la estructura de carbono del grafeno. Esta técnica puede detectar trazas de moléculas en una solución a concentraciones muy bajas, unos 10, 000 veces más diluido de lo que se puede ver a simple vista.

La espectroscopia Raman es una técnica de identificación ampliamente adoptada que se utiliza en química, ciencia de materiales y la industria farmacéutica para detectar las vibraciones internas únicas de varias moléculas. Cuando una luz láser irradia cristales o moléculas, dispersa y cambia de color. Esa luz dispersa se puede detectar en forma de espectro Raman, que sirve casi como una huella dactilar para cada sistema irradiado Raman-active.

"Básicamente, diferentes colores en el espectro visible se asociarán a diferentes energías, "dijo Mauricio Terrones, profesor de física, química y ciencia de los materiales en Penn State, quien dirigió la investigación. "Imagina que cada molécula tiene una emisión de color de luz particular, a veces amarillo, a veces verde. Ese color está asociado con una energía discreta ".

El equipo eligió tres tipos de moléculas de colorante fluorescente para sus experimentos. Tintes fluorescentes, que se utilizan con frecuencia como marcadores en experimentos biológicos, son particularmente difíciles de detectar en espectroscopía Raman porque la fluorescencia tiende a eliminar la señal. Sin embargo, cuando el tinte se agrega al grafeno o al sustrato de grafeno dopado con N, la fotoluminiscencia (fluorescencia) se apaga.

Por sí mismo, la señal Raman es tan débil que se han utilizado muchos métodos para mejorar la señal. Una técnica de mejora desarrollada recientemente utiliza grafeno prístino como sustrato, que puede mejorar la señal Raman en varios órdenes de magnitud. En un artículo publicado en línea hoy (22 de julio) en la revista Avances de la ciencia , Terrones y sus colegas revelaron que agregar átomos de nitrógeno al grafeno prístino mejora aún más la sensibilidad y, en tono rimbombante, dieron una explicación teórica de cómo el grafeno y el grafeno dopado con N provocan la mejora.

"Al controlar el dopaje con nitrógeno, podemos cambiar la brecha de energía del grafeno, y el cambio crea un efecto de resonancia que mejora significativamente los modos vibratorios Raman de la molécula, "dijo el autor principal Simin Feng, estudiante de posgrado en el grupo de Terrones.

"Esta es una investigación fundamental, "dijo Ana Laura Elias, coautor e investigador asociado en el laboratorio de Terrones. "Es difícil cuantificar la mejora porque será diferente para cada material y color de luz. Pero en algunos casos, vamos de cero a algo que podemos detectar por primera vez. Entonces puedes ver muchas características y estudiar mucha física. Para mí, el aspecto más importante de este trabajo es nuestra comprensión del fenómeno. Eso conducirá a mejoras en la técnica ".

Terrones agregado, "Llevamos a cabo un extenso trabajo teórico y experimental. Se nos ocurrió una explicación de por qué el grafeno dopado con nitrógeno funciona mucho mejor que el grafeno normal. Creo que es un gran avance, porque en nuestro artículo explicamos el mecanismo de detección de ciertas moléculas ".

Debido a la inercia química y biocompatibilidad del grafeno, el equipo espera que la nueva técnica sea eficaz para detectar trazas de moléculas orgánicas. Elias está entusiasmado con la posibilidad de combinar la técnica con los espectrómetros Raman portátiles disponibles que se pueden llevar a lugares remotos para detectar, por ejemplo, virus peligrosos. Los tintes fluorescentes que estudiaron harán que sea más rápido y fácil ver la presencia de compuestos dentro de las células biológicas. Debido a que la técnica es simple, simplemente sumerja el sustrato de grafeno en una solución durante un corto período de tiempo, debería ser factible crear una biblioteca completa del espectro Raman de moléculas específicas. Terrones dijo.

Investigadores de Brasil, China y Japón contribuyeron a este trabajo mientras visitaban el laboratorio de Terrones en Penn State. El artículo se titula "Sensor molecular ultrasensible que utiliza grafeno dopado con N a través de la dispersión Raman mejorada".