Utilizzando nanotubi di carbonio, un gruppo di ricerca guidato dal professor Hyung Gyu Park in collaborazione con la dott.ssa Tiziana Bond ha sviluppato un sensore che amplifica notevolmente la sensibilità dei metodi spettroscopici vibrazionali comunemente usati ma tipicamente deboli, come la spettroscopia Raman. Questo tipo di sensore permette di rilevare le molecole presenti nelle più piccole concentrazioni.

Gli scienziati dell'ETH di Zurigo e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in California hanno sviluppato un sensore innovativo per la spettroscopia Raman con superficie potenziata (SERS). Grazie alle sue proprietà superficiali uniche su scala nanometrica, il metodo può essere utilizzato per eseguire analisi più affidabili, sensibile e conveniente. Negli esperimenti con il nuovo sensore, i ricercatori sono stati in grado di rilevare una certa specie organica (1, 2bis(4-piridil)etilene, o BPE) in una concentrazione di poche centinaia di femtomoli per litro. Una soluzione di 100 femtomolari contiene circa 60 milioni di molecole per litro.

Fino ad ora, il limite di rilevamento dei comuni sistemi SERS era nell'intervallo nanomolare, cioè un miliardesimo di talpa. I risultati di uno studio condotto da Hyung Gyu Park, Professore di Tecnologia Energetica all'ETH di Zurigo, e Tiziana Bond, Capability Leader presso LLNL, sono stati pubblicati questa settimana come articolo di copertina sulla rivista scientifica Materiale avanzato .

La spettroscopia Raman sfrutta il fatto che le molecole illuminate dalla luce a frequenza fissa mostrano uno scattering "anelastico" strettamente correlato ai modi vibrazionali e rotazionali eccitati nelle molecole. La luce diffusa Raman differisce dalla comune luce diffusa Rayleigh in quanto ha frequenze diverse da quella della luce irradiante e produce uno schema di frequenza specifico per ciascuna sostanza esaminata, che consente di utilizzare queste informazioni sullo spettro come un'impronta digitale per rilevare e identificare sostanze specifiche. Per analizzare le singole molecole, i segnali in frequenza devono essere amplificati, che richiede che la molecola in questione sia presente in alta concentrazione o situata vicino a una superficie metallica che amplifica il segnale. Da qui il nome del metodo:spettroscopia Raman potenziata in superficie.

Segnali amplificati per una migliore riproducibilità

"Questa tecnologia esiste da decenni, " spiega Ali Altun, uno studente di dottorato nel gruppo guidato da Park presso l'Institute of Energy Technology. Con i sensori SERS di oggi, però, la potenza del segnale è adeguata solo in casi isolati e produce risultati con bassa riproducibilità. Altun, Bond e Park si sono quindi posti l'obiettivo di sviluppare un sensore che amplifichi in modo massiccio i segnali della luce diffusa da Raman.

Il substrato prescelto si è rivelato disposto verticalmente, cespitoso, nanotubi di carbonio densamente imballati (CNT) che garantiscono questa alta densità di "punti caldi". Il gruppo ha sviluppato tecniche per coltivare fitte foreste di CNT in modo uniforme e controllato. La disponibilità di questa esperienza è stata una delle principali motivazioni per l'utilizzo dei nanotubi come base per sensori SERS altamente sensibili, dice Parco.

Una superficie da spaghetti

Le punte dei CNT sono fortemente curve, e i ricercatori hanno rivestito queste punte con oro e biossido di afnio, un materiale isolante dielettrico. Il punto di contatto tra la superficie del sensore e il campione assomiglia quindi a un piatto di spaghetti conditi con salsa. Però, tra i fili degli spaghetti, ci sono numerosi fori disposti casualmente che lasciano passare la luce diffusa, ei molti punti di contatto, i "punti caldi", amplificano i segnali.

"Un metodo per realizzare sensori SERS altamente sensibili è sfruttare i punti di contatto dei nanofili metallici, " spiega Park. La struttura a nano-spaghetti con punte CNT rivestite in metallo è perfetta per massimizzare la densità di questi punti di contatto.

Infatti, Legame spiega, l'ampia distribuzione delle nano fessure metalliche nella gamma dei nanometri, ben riconosciuto per essere responsabile dell'estremo potenziamento elettromagnetico (o punti caldi) e altamente perseguito da molti gruppi di ricerca, è stato facilmente e prontamente raggiunto dal team, con conseguenti miglioramenti intensi e riproducibili.

Il sensore differisce da altri sensori SERS ultrasensibili comparabili non solo in termini di struttura, ma anche a causa del suo processo di produzione relativamente economico e semplice e della superficie molto ampia delle strutture 3D che producono un intenso, segnale uniforme.

Una svolta su due livelli

Inizialmente, i ricercatori hanno rivestito d'oro solo le punte dei CNT. I primi esperimenti con la molecola di test BPE hanno mostrato loro che erano sulla strada giusta, ma che il limite di rilevamento non poteva essere ridotto al livello che avevano sperato. Infine, hanno scoperto che gli elettroni necessari sulla superficie dello strato d'oro per generare la cosiddetta risonanza plasmonica fluivano fuori attraverso i nanotubi di carbonio conduttivi. Il compito era quindi quello di capire come prevenire questa perdita di energia plasmonica.

I ricercatori hanno rivestito i CNT con ossido di afnio, un materiale isolante, prima di applicare uno strato d'oro. "Questa è stata la svolta, " dice Altun. Lo strato isolante ha aumentato la sensibilità del substrato del sensore di un fattore 100, 000 nell'unità di concentrazione molare.

"Per noi scienziati, questo è stato un momento di trionfo, " concorda Parco, "e ci ha mostrato che avevamo fatto l'ipotesi giusta e un disegno razionale".

La chiave per il successo dello sviluppo del sensore era quindi duplice:da un lato, è stata una loro decisione di continuare a usare i CNT, la cui morfologia è essenziale per massimizzare il numero di 'hot spot', e d'altra parte, era il fatto che questi nanotubi erano a doppio rivestimento.

Park e Bond vorrebbero fare un ulteriore passo avanti e portare il loro nuovo principio sul mercato, ma stanno ancora cercando un partner industriale. Prossimo, vogliono continuare a migliorare la sensibilità del sensore, e sono anche alla ricerca di potenziali aree di applicazione. Park prevede l'installazione della tecnologia in dispositivi portatili, ad esempio per facilitare l'analisi in loco di impurità chimiche come inquinanti ambientali o residui farmaceutici nell'acqua. Sottolinea che l'invenzione di un nuovo dispositivo non è necessaria; è semplice installare il sensore in modo adeguato.

Altre potenziali applicazioni includono indagini forensi o applicazioni militari per il rilevamento precoce di armi chimiche o biologiche, applicazione biomedica per il monitoraggio point-of-care in tempo reale dei livelli fisiologici, e rapido screening di droghe e tossine nell'area delle forze dell'ordine.