un 100, 000 volte vista ingrandita del rivestimento d'oro, nanopillari di silicio che costituiscono gli array utilizzati nelle misurazioni SERS. Ogni array è composto da 250, 000 nanopillar con fino a 400 array per wafer. Credito:Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti
Nella guerra asimmetrica, il rilevamento precoce e l'identificazione di agenti chimici e biologici a livello di tracce e composti esplosivi è fondamentale per una reazione rapida, risposta, e sopravvivenza. Sebbene siano attualmente in uso molti metodi in grado di rilevare queste minacce, nessuno consente il fingerprinting univoco degli agenti di minaccia a livelli di traccia.
Un gruppo di ricerca, guidati dai dott. Joshua Caldwell e Orest Glembocki, scienziati del Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti, Divisione Scienze e Tecnologie Elettroniche, ha superato questa limitazione con la diffusione Raman potenziata in superficie (SERS) utilizzando oscillazioni plasmoniche stimolate otticamente in substrati nanostrutturati.
Indicato per fornire miglioramenti del segnale Raman, gli array di nanopillar di silicio (Si) rivestiti in oro (Au) di grandi aree sono oltre 100 milioni di volte più sensibili del solo rilevamento della dispersione Raman, pur mantenendo una risposta molto uniforme con una variabilità inferiore al 30% nell'area del sensore.
"Questi array sono di un ordine di grandezza più sensibili dei migliori sensori SERS riportati in letteratura e degli attuali sensori SERS commerciali di grandi dimensioni all'avanguardia, " ha affermato Caldwell. "Questi array possono essere una componente chiave di sistemi completamente integrati, sensori chimici operanti in modo autonomo che rilevano, identificare e segnalare la presenza di una minaccia a livelli di esposizione in tracce."
Gli scienziati Orest Glembocki (con in mano uno spettrometro Raman portatile DeltaNu ExamineR) e Joshua Caldwell, visualizzare uno dei wafer di silicio che hanno fabbricato per il rilevamento SERS utilizzando l'incisione ionica e la litografia a fascio elettronico. Sul wafer sono stati fabbricati diversi array quadrati di nanopillar di silicio rivestiti in oro per eseguire test di diffusione Raman con superficie migliorata. Credito:Laboratorio di ricerca navale statunitense/Jamie Hartman
I dispositivi Raman utilizzano la luce laser per eccitare le vibrazioni molecolari, che a sua volta provoca uno spostamento dell'energia dei fotoni laser diffusi, su o giù, creando un modello visivo unico. Nel caso di tracce di molecole in gas o liquidi, il rilevamento tramite la normale diffusione Raman è praticamente impossibile. Però, il segnale Raman può essere potenziato tramite l'effetto SERS utilizzando nanoparticelle metalliche.
Nonostante lo scattering Raman potenziato dalla superficie sia stato osservato per la prima volta alla fine degli anni '70, gli sforzi per fornire sensori chimici basati su SERS riproducibili sono stati ostacolati dall'incapacità di realizzare dispositivi di grandi dimensioni con una risposta SERS uniforme. La capacità di modellare in modo riproducibile particelle di dimensioni nanometriche in matrici periodiche ha finalmente permesso di soddisfare questo requisito.
"Mentre sono attualmente disponibili molti strumenti per rilevare tracce di guerra chimica e agenti biologici e composti esplosivi, un dispositivo che utilizza SERS può essere utilizzato per identificare queste minuscole quantità delle sostanze chimiche di interesse fornendo un'"impronta digitale" del materiale, che quasi elimina la prevalenza di falsi allarmi, "dice Glembocki.
SERS offre diversi potenziali vantaggi rispetto ad altre tecniche spettroscopiche a causa della sua velocità di misurazione, alta sensibilità, portabilità, e semplice manovrabilità. SERS può inoltre essere utilizzato per migliorare le tecnologie Raman esistenti, come le unità manuali e distanziatrici già in uso nelle applicazioni sul campo.
