Usando nanotubos de carbono, un equipo de investigación dirigido por el profesor Hyung Gyu Park en colaboración con la Dra. Tiziana Bond ha desarrollado un sensor que amplifica en gran medida la sensibilidad de los métodos espectroscópicos vibracionales comúnmente usados ​​pero típicamente débiles, como la espectroscopia Raman. Este tipo de sensor permite detectar moléculas presentes en concentraciones mínimas.

Los científicos de ETH Zurich y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California han desarrollado un sensor innovador para espectroscopía Raman mejorada en superficie (SERS). Gracias a sus propiedades superficiales únicas a nanoescala, el método se puede utilizar para realizar análisis que son más fiables, sensible y rentable. En experimentos con el nuevo sensor, los investigadores pudieron detectar una determinada especie orgánica (1, 2bis (4-piridil) etileno, o BPE) en una concentración de algunos cientos de femtomoles por litro. Una solución 100 femtomolar contiene alrededor de 60 millones de moléculas por litro.

Hasta ahora, el límite de detección de los sistemas SERS comunes estaba en el rango nanomolar, es decir, una mil millonésima parte de un mol. Los resultados de un estudio realizado por Hyung Gyu Park, Profesor de Tecnología Energética en ETH Zurich, y Tiziana Bond, Líder de capacidad en LLNL, se publicaron esta semana como artículo de portada en la revista científica Materiales avanzados .

La espectroscopía Raman aprovecha el hecho de que las moléculas iluminadas por luz de frecuencia fija exhiben una dispersión "inelástica" estrechamente relacionada con los modos vibracional y rotacional excitados en las moléculas. La luz dispersada Raman difiere de la luz dispersada Rayleigh común en que tiene frecuencias diferentes a las de la luz irradiante y produce un patrón de frecuencia específico para cada sustancia examinada. permitiendo utilizar esta información espectral como huella dactilar para detectar e identificar sustancias específicas. Para analizar moléculas individuales, las señales de frecuencia deben ser amplificadas, lo que requiere que la molécula en cuestión esté presente en una concentración alta o ubicada cerca de una superficie metálica que amplifique la señal. De ahí el nombre del método:espectroscopía Raman mejorada en superficie.

Señales amplificadas para mejorar la reproducibilidad

"Esta tecnología existe desde hace décadas, "explica Ali Altun, estudiante de doctorado en el grupo que dirige Park en el Instituto de Tecnología Energética. Con los sensores SERS de hoy, sin embargo, la intensidad de la señal es adecuada solo en casos aislados y produce resultados con baja reproducibilidad. Altun, Bond y Park, por lo tanto, se fijaron el objetivo de desarrollar un sensor que amplifique masivamente las señales de la luz dispersada por Raman.

El sustrato elegido resultó estar dispuesto verticalmente, cespitoso nanotubos de carbono densamente empaquetados (CNT) que garantizan esta alta densidad de 'puntos calientes'. El grupo desarrolló técnicas para cultivar densos bosques de CNT de manera uniforme y controlada. La disponibilidad de esta experiencia fue una de las principales motivaciones para utilizar nanotubos como base para sensores SERS de alta sensibilidad. dice Park.

Una superficie parecida a un espagueti

Las puntas de los CNT están muy curvadas, y los investigadores recubrieron estas puntas con oro y dióxido de hafnio, un material aislante dieléctrico. El punto de contacto entre la superficie del sensor y la muestra se asemeja a un plato de espagueti cubierto con salsa. Sin embargo, entre las hebras de espagueti, hay numerosos agujeros dispuestos al azar que dejan pasar la luz dispersa, y los muchos puntos de contacto, los "puntos calientes", amplifican las señales.

"Un método para fabricar sensores SERS altamente sensibles es aprovechar los puntos de contacto de los nanocables metálicos, "explica Park. La estructura de nano-espagueti con puntas de CNT recubiertas de metal es perfecta para maximizar la densidad de estos puntos de contacto.

En efecto, Bond explica, la amplia distribución de nano-grietas metálicas en el rango nanométrico, bien reconocido como responsable de la mejora electromagnética extrema (o puntos calientes) y muy perseguido por muchos grupos de investigación, ha sido logrado fácil y rápidamente por el equipo, resultando en las intensas y reproducibles mejoras.

El sensor se diferencia de otros sensores SERS ultrasensibles comparables no solo en términos de su estructura, sino también debido a su proceso de producción relativamente económico y simple y la gran superficie de las estructuras 3D que producen un intenso, señal uniforme.

Un gran avance en dos niveles

Inicialmente, los investigadores solo cubrieron las puntas de los CNT con oro. Los primeros experimentos con la molécula de prueba BPE les mostraron que estaban en el camino correcto, pero que el límite de detección no se podía reducir al grado que esperaban. Finalmente, descubrieron que los electrones requeridos en la superficie de la capa de oro para generar lo que se conoce como resonancia de plasmón fluían a través de los nanotubos de carbono conductores. La tarea consistía entonces en descubrir cómo prevenir esta fuga de energía plasmónica.

Los investigadores recubrieron los CNT con óxido de hafnio, un material aislante, antes de aplicar una capa de oro. "Este fue el gran avance, ", dice Altun. La capa de aislamiento aumentó la sensibilidad de su sustrato sensor en un factor de 100, 000 en la unidad de concentración molar.

"Para nosotros, como científicos, este fue un momento de triunfo, "coincide Park, "y nos mostró que habíamos hecho la hipótesis correcta y un diseño racional".

Por lo tanto, la clave para el desarrollo exitoso del sensor fue doble:por un lado, fue su decisión seguir usando CNT, cuya morfología es esencial para maximizar el número de 'puntos calientes', y por otro lado, era el hecho de que estos nanotubos tenían doble capa.

Park y Bond ahora quisieran dar un paso más y llevar su nuevo principio al mercado, pero todavía están buscando un socio industrial. Próximo, quieren seguir mejorando la sensibilidad del sensor, y también están buscando áreas de aplicación potenciales. Park prevé la instalación de la tecnología en dispositivos portátiles, por ejemplo, para facilitar el análisis in situ de impurezas químicas como contaminantes ambientales o residuos farmacéuticos en el agua. Destaca que la invención de un nuevo dispositivo no es necesaria; es sencillo instalar el sensor de forma adecuada.

Otras aplicaciones potenciales incluyen investigaciones forenses o aplicaciones militares para la detección temprana de armas químicas o biológicas, Aplicación biomédica para la monitorización de los niveles fisiológicos en el punto de atención en tiempo real, y detección rápida de drogas y toxinas en el ámbito de la aplicación de la ley.