Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore pueden haber encontrado una manera de mejorar la espectroscopia Raman como herramienta para identificar sustancias en concentraciones extremadamente bajas. Las aplicaciones potenciales de la espectroscopia Raman incluyen diagnóstico médico, desarrollo farmacológico / químico, forenses y sistemas de detección altamente portátiles para la seguridad nacional.

La capacidad de identificar moléculas a bajas concentraciones con gran especificidad y proporcionar, de forma no invasiva, Las mediciones no destructivas han llevado al uso cada vez mayor de la espectroscopía Raman como técnica analítica aceptada. Pero una deficiencia de esta técnica ha sido su falta de sensibilidad y confiabilidad a concentraciones extremadamente bajas.

La espectroscopia Raman consiste en observar la dispersión de la luz, generalmente de un láser, por moléculas de una sustancia transparente. La diferencia en la longitud de onda de la luz dispersa y la luz incidente puede proporcionar información detallada sobre la naturaleza de la sustancia.

"La dispersión Raman proporciona una buena huella digital de materiales de interés para la seguridad nacional, ", dijo Tiziana Bond del Centro de Micro y Nano Tecnología de LLNL.

Bond y su grupo desarrollan espectroscopía Raman mejorada en superficie (SERS), un método que aumenta la sensibilidad en órdenes de magnitud mejorando las señales. Si bien muestra un gran potencial, los sustratos utilizados para SERS, superficies metálicas típicamente rugosas, han producido señales variables consideradas, todavía, no fidedigno. La superficie rugosa mejora la interacción de la molécula con el metal. El desafío ha sido encontrar una manera de crear un sustrato con características topográficas uniformes que produzcan mejoras de señal consistentes.

Parte de este trabajo se describe en un artículo publicado en la edición de septiembre de 2010 de Nanotecnología titulado " Caracterización espectral Raman mejorada de superficie rigurosa de áreas grandes, Alta uniformidad, Matrices nanopilares de sílice cónicas recubiertas de plata , "que fue publicado por Bond y su grupo en colaboración con investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Las técnicas mejoradas de nanoingeniería y los métodos de fabricación de semiconductores han permitido la producción de sustratos SERS, la capa base o textura en obleas de 4 a 6 pulgadas, que son más confiables. La clave son sustratos con "reproducibilidad" suficiente para un análisis confiable. Los investigadores de LLNL han trabajado en varias técnicas para lograr un sustrato más robusto y uniforme que mantenga una alta sensibilidad y reproducibilidad.

Las mejoras electromagnéticas y químicas son dos factores que afectan la mejora total de SERS (con respecto a Raman). El primero es más fuerte y representa mejoras de magnitud 106-108, mientras que el segundo suele ser responsable de 10-100 factores. Para aprovechar los efectos electromagnéticos, las nanoestructuras metálicas deben diseñarse adecuadamente.

En un artículo titulado " Cavidades resonantes de plasma en matrices verticales de nanocables " publicado en Nano letras a principios de este año, El grupo de Bond, Investigar un diseño innovador utilizando un sustrato vertical de matriz de nanocables recubierto de oro que proporcionaría una mejora fuerte y controlable. La innovación del equipo de LLNL es la fabricación de cavidades resonantes de plasmón "sintonizables" en las matrices de cables verticales; las cavidades son el espacio entre los cables verticales. Mihail Bora, un postdoctorado que se unió al grupo de Bond hace un año, está muy involucrado en esta parte del proyecto y explica que los plasmones de superficie son ondas electromagnéticas similares a la luz, excepto que están confinados en superficies metálicas. El ajuste de la resonancia del plasmón se logra controlando las dimensiones geométricas de la cavidad.

Introdujeron la cavidad resonante óptica más pequeña que es miles de veces más pequeña que la longitud de onda de la luz y demostraron que es posible ir más allá de este límite de difracción mediante el uso de plasmones de superficie. Las cavidades resonantes se utilizan actualmente para la espectroscopia Raman mejorada de superficie para detectar analitos químicos (concentración). "Al confinar la luz en espacios tan reducidos, podemos crear campos intensos que son útiles para aumentar la señal de espectroscopia, "Dijo Bond.

Estas características de diseño ofrecen una serie de ventajas. Por ejemplo, permite afinar la sensibilidad de los sustratos, o adaptado, a diferentes longitudes de onda ofreciendo a los investigadores una mayor versatilidad.

Entre las posibles extensiones de aplicación del sustrato plasmónico más allá de la mejora de SERS se encuentran la habilitación de la demostración de láseres plasmónicos de sub-longitud de onda, y matrices de nanoantenas de banda ancha para energía fotovoltaica jugando con factores geométricos.

El trabajo del grupo ha sido financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) de LLNL.