I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory potrebbero aver trovato un modo per migliorare la spettroscopia Raman come strumento per identificare le sostanze in concentrazioni estremamente basse. Le potenziali applicazioni per la spettroscopia Raman includono la diagnosi medica, sviluppo di farmaci/chimici, medicina legale e sistemi di rilevamento altamente portatili per la sicurezza nazionale.
La capacità di identificare molecole a basse concentrazioni con grande specificità e fornire non invasivo, misurazioni non distruttive ha portato al crescente utilizzo della spettroscopia Raman come tecnica analitica accettata. Ma un difetto di questa tecnica è stata la sua mancanza di sensibilità e affidabilità a concentrazioni estremamente basse.
La spettroscopia Raman consiste nell'osservare la dispersione della luce, di solito da un laser, da molecole di una sostanza trasparente. La differenza nella lunghezza d'onda della luce diffusa e della luce incidente può fornire informazioni dettagliate sulla natura della sostanza.
"La dispersione Raman fornisce una buona impronta digitale di materiali di interesse per la sicurezza nazionale, " ha affermato Tiziana Bond del Center for Micro and Nano Technology di LLNL.
Bond e il suo gruppo sviluppano la spettroscopia Raman potenziata dalla superficie (SERS), un metodo che aumenta ordini di grandezza di sensibilità migliorando i segnali. Pur mostrando un grande potenziale, i substrati utilizzati per SERS, superfici metalliche tipicamente ruvide, hanno prodotto segnali variabili considerati, ancora, inaffidabile. La superficie ruvida migliora l'interazione della molecola con il metallo. La sfida è stata quella di trovare un modo per creare un substrato con caratteristiche topografiche uniformi che producano miglioramenti del segnale coerenti.
Alcuni di questi lavori sono descritti in un articolo pubblicato nell'edizione di settembre 2010 di Nanotecnologia intitolato " Caratterizzazione spettrale Raman migliorata di superficie rigorosa di grandi aree, Alta-Uniformità, Array Nanopillar di silice conici rivestiti in argento , " che è stato pubblicato da Bond e dal suo gruppo in collaborazione con ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
Le migliori tecniche di nanoingegneria e metodi di produzione di semiconduttori hanno consentito la produzione di substrati SERS (lo strato di base o texture su wafer da 4 a 6 pollici) che sono più affidabili. La chiave è substrati con "riproducibilità" sufficiente per un'analisi affidabile. I ricercatori LLNL hanno lavorato su diverse tecniche per ottenere un substrato più robusto e uniforme che mantenga un'elevata sensibilità e riproducibilità.
I potenziamenti elettromagnetici e chimici sono due fattori che influenzano il potenziamento totale SERS (rispetto a Raman). Il primo è più forte e rappresenta miglioramenti di magnitudo 106-108, mentre il secondo è in genere responsabile di 10-100 fattori. Per sfruttare gli effetti elettromagnetici, le nanostrutture metalliche devono essere progettate adeguatamente.
In un articolo intitolato " Cavità risonanti Plasmon in array di nanofili verticali " pubblicato in Nano lettere all'inizio di quest'anno, il gruppo di Bond, studiare un design innovativo utilizzando un substrato array di nanofili verticale rivestito in oro che fornirebbe un miglioramento forte e controllabile. L'innovazione del team LLNL è la fabbricazione di cavità risonanti plasmoniche "sintonizzabili" negli array di fili verticali:le cavità sono lo spazio tra i fili verticali. Michele Bora, un postdoc che si è unito al gruppo di Bond un anno fa, è fortemente coinvolto in questa parte del progetto e spiega che i plasmoni di superficie sono onde elettromagnetiche simili alla luce, tranne che sono confinati su superfici metalliche. La sintonizzazione della risonanza plasmonica si ottiene controllando le dimensioni geometriche della cavità.
Introducono la più piccola cavità risonante ottica che è migliaia di volte più piccola della lunghezza d'onda della luce e hanno dimostrato che è possibile superare questo limite di diffrazione utilizzando plasmoni di superficie. Le cavità risonanti sono attualmente utilizzate per la spettroscopia Raman potenziata in superficie per rilevare analiti chimici (concentrazione). "Confinando la luce in spazi così ristretti siamo in grado di creare campi intensi che sono utili per aumentare il segnale spettroscopico, " ha detto Bond.
Queste caratteristiche di progettazione offrono una serie di vantaggi. Per esempio, permette di regolare la sensibilità dei substrati, o adattato, a diverse lunghezze d'onda offrendo ai ricercatori una maggiore versatilità.
Tra le possibili estensioni applicative del substrato plasmonico oltre al potenziamento del SERS vi sono la dimostrazione di laser plasmonici a lunghezza d'onda inferiore, e array di nanoantenna a banda larga per il fotovoltaico giocando con fattori geometrici.
Il lavoro del gruppo è stato finanziato dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e dal programma Laboratory Directed Research and Development (LDRD) di LLNL.
