Un team internazionale di ricercatori che lavorano alla Penn State ha sviluppato un sensore chimico altamente sensibile basato sulla spettroscopia Raman e che utilizza il grafene drogato con azoto come substrato. In questo caso, il doping si riferisce all'introduzione di atomi di azoto nella struttura del carbonio del grafene. Questa tecnica può rilevare tracce di molecole in una soluzione a concentrazioni molto basse, circa 10, 000 volte più diluito di quanto si possa vedere ad occhio nudo.

La spettroscopia Raman è una tecnica di identificazione ampiamente adottata utilizzata in chimica, la scienza dei materiali e l'industria farmaceutica per rilevare le vibrazioni interne uniche di varie molecole. Quando una luce laser irradia cristalli o molecole, disperde e cambia i colori. Quella luce diffusa può essere rilevata sotto forma di spettro Raman, che serve quasi come un'impronta digitale per ogni sistema irradiato Raman-attivo.

"Fondamentalmente, colori diversi nello spettro visibile saranno associati a diverse energie, " disse Mauricio Terrones, professore di fisica, chimica e scienza dei materiali alla Penn State, che ha condotto la ricerca. "Immaginate che ogni molecola abbia una particolare emissione di colore della luce, a volte giallo, a volte verde. Quel colore è associato a un'energia discreta."

Il team ha scelto tre tipi di molecole di colorante fluorescente per i propri esperimenti. coloranti fluorescenti, che sono spesso usati come marcatori negli esperimenti biologici, sono particolarmente difficili da rilevare nella spettroscopia Raman perché la fluorescenza tende a eliminare il segnale. Però, quando il colorante viene aggiunto al grafene o al substrato di grafene drogato con N, la fotoluminescenza, la fluorescenza, è spenta.

Da solo, il segnale Raman è così debole che sono stati utilizzati molti metodi per migliorare il segnale. Una tecnica di miglioramento recentemente sviluppata utilizza il grafene incontaminato come substrato, che può aumentare il segnale Raman di diversi ordini di grandezza. In un articolo pubblicato online oggi (22 luglio) sulla rivista Progressi scientifici , Terrones e colleghi hanno rivelato che l'aggiunta di atomi di azoto al grafene incontaminato migliora ulteriormente la sensibilità e, importante, hanno fornito una spiegazione teorica su come il grafene e il grafene drogato con N causino il miglioramento.

"Controllando il drogaggio con azoto possiamo spostare il gap energetico del grafene, e lo spostamento crea un effetto di risonanza che migliora significativamente le modalità Raman vibrazionali della molecola, " ha detto l'autore principale Simin Feng, uno studente laureato nel gruppo di Terrones.

"Questa è una ricerca fondamentale, "ha detto Ana Laura Elias, un coautore e ricercatore associato nel laboratorio di Terrones. "È difficile quantificare il miglioramento perché sarà diverso per ogni materiale e colore della luce. Ma in alcuni casi, stiamo andando da zero a qualcosa che possiamo rilevare per la prima volta. Puoi vedere molte caratteristiche e studiare molta fisica allora. Per me l'aspetto più importante di questo lavoro è la nostra comprensione del fenomeno. Ciò porterà a miglioramenti nella tecnica".

Terrone ha aggiunto, "Abbiamo svolto un ampio lavoro teorico e sperimentale. Siamo arrivati ​​a una spiegazione del perché il grafene drogato con azoto funziona molto meglio del normale grafene. Penso che sia una svolta, perché nel nostro articolo spieghiamo il meccanismo di rilevamento di determinate molecole".

A causa dell'inerzia chimica e della biocompatibilità del grafene, il team prevede che la nuova tecnica sarà efficace nel rilevare tracce di molecole organiche. Elias è entusiasta della prospettiva di combinare la tecnica con gli spettrometri Raman portatili disponibili che possono essere portati in luoghi remoti per rilevare, ad esempio, virus pericolosi. I coloranti fluorescenti che hanno studiato renderanno facile e veloce vedere la presenza di composti all'interno delle cellule biologiche. Poiché la tecnica è semplice, basta immergere il substrato di grafene in una soluzione per un breve periodo di tempo, dovrebbe essere possibile creare un'intera libreria dello spettro Raman di molecole specifiche, disse Terrones.

Ricercatori dal Brasile, Cina e Giappone hanno contribuito a questo lavoro durante la visita al laboratorio Terrones a Penn State. Il documento è intitolato "Sensore molecolare ultrasensibile che utilizza grafene drogato con N attraverso la diffusione Raman avanzata".