Extrem empfindliche Nanosensoren können Spuren von Molekülen nachweisen

Utrechter Forscher haben einen neuen Sensortyp entwickelt, der etwa 500-mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares ist und eine beispiellose Fähigkeit besitzt, extrem kleine Mengen von Molekülen zu erkennen. Diese Sensoren können verwendet werden, um Spuren von Substanzen wie chemischen Schadstoffen oder in der Medizin wichtigen Molekülen zu erkennen und zu identifizieren. Die Sensoren nutzen die Raman-Streuung, ein Phänomen, das so einzigartige Signale für verschiedene Moleküle liefert, dass es oft als „molekularer Fingerabdruck“ bezeichnet wird. In ihrer Veröffentlichung in Fortschrittliche Funktionsmaterialienstellen die Forscher die Herstellung und Verwendung dieser winzigen Sensoren vor.

Der leitende Forscher Prof. Alfons van Blaaderen erklärt, dass ihr „Design auf der Anordnung von Gold-Nanostäbchen beruht, die die Raman-Streuung von Molekülen, die zehntausendfach nahe an ihren Spitzen platziert sind, zu einem größeren kugelförmigen Cluster verstärken, in dem die Raman-Signale noch weiter entfernt sind verbessert. Ein entscheidender Schritt bei der Vorbereitung bestand darin, zuerst jedes Gold-Nanostäbchen in seine eigene schützende poröse Beschichtung zu wickeln. Durch die Steuerung der Dicke und Porosität dieser Beschichtung konnten wir steuern, wie dicht die Nanostäbchen zusammengepackt werden konnten und wie einfach oder Es ist für Moleküle schwierig, in den Sensor einzudringen.“

Kleine Wassertropfen

Die Zusammenführung der beschichteten Stäbchen in einem Nanosensor war ein Hauptziel der Hauptautoren Jessi van der Hoeven und Harith Gurunarayanan. Van der Hoeven erklärt, dass sie „aus diesen Stäben kontrollierbar einen kugelförmigen Cluster bilden wollten, in dem sich sogenannte ‚Hot Spots‘ für die Raman-Streuung überlappen und die Raman-Signale noch weiter verstärken würden. Dazu haben wir die Stäbe eingesetzt kleine Wassertröpfchen. Durch langsames Verdampfen des Wassers wurden die Nanostäbchen gezwungen, sich zu einer kugelförmigen Anordnung zusammenzuballen.“

Mit diesem Ansatz konnten die Forscher eine ganze Reihe unterschiedlich strukturierter Nanosensoren präparieren. Gurunarayanan fügt hinzu, dass sie „begeistert waren zu sehen, dass diese Nanostäbchen-Anordnungen nicht nur schöne Strukturen waren, sondern auch sehr gut darin waren, sehr kleine Mengen von Molekülen zu erkennen, besser als frühere Anordnungen von Gold-Nanostäbchen.“

Aufgrund der Fingerabdruck-Fähigkeiten der Raman-Streuungsanalyse eignen sich diese Suprapartikel – Partikel, die aus Nanopartikeln aufgebaut sind – für viele Anwendungen, die von der Untersuchung chemischer Mechanismen in der Katalyse bis zum Nachweis von Spuren chemischer Schadstoffe und Moleküle reichen, die in der Biologie oder Medizin wichtig sind. Es ist wichtig zu erwähnen, dass tragbare Raman-Streugeräte, die relativ teuer sind, bereits verfügbar sind.

Obwohl die realisierten Sensor-Suprapartikel die zuvor beschriebenen Raman-Sensorstrukturen aus Gold-Nanostäbchen übertrafen, ist es auch aufregend, dass es noch viel Raum für wichtige Verbesserungen an diesem ursprünglichen Design gibt. Viele Ideen werden bereits untersucht, um die Empfindlichkeit und Funktionalität dieser Baugruppen weiter zu optimieren. Diese Raman-Suprateilchensensoren haben buchstäblich und im übertragenen Sinne eine glänzende Zukunft vor sich.