Et enkelt duftmolekyle er nok til at afgøre et kemisk stofs sammensætning og struktur, hvad enten der er tale om svage dufte af kræft, gift, sprængstoffer eller måske realtids-overvågning af en kemisk proces.
Det kan altsammen afsløres med en af de mest ekstreme sensorer, som videnskaben nogensinde har frembragt. Og det bedste ved denne helt nye sensor er, at den egner sig til at blive masseproduceret.
Det er professor Stephen Y. Chou fra Princeton University i New Jersey, USA, som sammen med ingeniøren Wen-DI Li og post.doc. Jonathan Hu har udviklet og fremstillet den superfølsomme sensor.
Sensoren bygger på en opdagelse fra 1928, den såkaldte Raman Scattering, som udløste Nobel-prisen til den indiske fysiker, sir Chandrasekhara Venkata Raman.
Opdagelsen viste, at når man belyser atomer eller molekyler med lys, vil cirka en milliontedel af de fotoner, der reflekteres tilbage, indeholde en lille rystelse eller vibration, som stammer fra molekylet. Denne rystelse er unik som et fingeraftryk og viser, præcis hvad molekylet består af.
Men der skulle altså gå 83 år, før den viden kunne udmøntes i et håndgribeligt apparat, der med sikkerhed kan opfange Ramans reflektioner af lys. Reflektionerne var alt for svage, og når det engang imellem lykkedes at fange dem, var det næsten umuligt at gentage forsøget.
I 1970'erne opdagede nogle fysikere, at Raman-reflektionen blev forstærket, hvis det ukendte molekyle blev anbragt på en ujævn overflade af guld eller sølv. Det fik navnet SERS (Surface Enhanced Raman Scattering). Men der var stadig lang vej til en brugbar sensor, for det var tilfældigt, hvor på metaloverfladen reflektionerne blev forstærket. Resultaterne var usikre og fortsat ubrugelige i praksis.
Stephen Y. Chou og hans lille hold fik en ny idé. De tænkte, at forstærkningen på den ujævne metaloverflade måtte skyldes, at overfladen virkede som en mikroskopisk antenne, der samlede og forstærkede de elektromagnetiske fotoner i reflektionerne. For fotoner og elektromagnetiske bølger er samme bolledej ifølge kvantemekanikken.
Så de ønskede at konstruere en bedre antenne. De bestemte sig for en tallerken-antenne med små direktorer og et reflekterende backplane. Ligesom tv-antenner skulle denne antenne bygges i de helt rigtige mål for at kunne opfange den rette elektromagnetiske bølge.
De rette mål i forbindelse med Ramans reflekser er imidlertid i nanostørrelse. Og den elektriske strøm, der kommer ud af sådan en lille antenne, er meget beskeden. Så der skal være rigtig mange antenner, hver med fuldstændig de samme fysiske mål, for tilsammen at give en forstærkning, der kan bruges i praksis.
Forskerne brugte to kendte fremstillingsteknikker, nanoprint og self-assembly. Og for at gøre en lang historie kort blev resultatet en overflade med små søjler af siliciumdioxid, 130 nm i højden. Søjlernes flade top er belagt med et tyndt lag guld og fungerer som tallerken-antenner med en diameter på 70 nm.
Bundplanet, som søjlerne står på, har også et guld-lag og virker som jordplan. Og på søjlernes sider sidder et mønster af guld-nanoprikker, hvis størrelse (30 nm) og indbyrdes afstand gør dem til effektive antenne-direktorer, der forstærker signalerne fra de spredte fotoner.
Søjlerne står tæt pakket og fylder en hel fire-tommers silicium-wafer. Det giver en sensor med en samlet forstærkning af Ramans reflektioner på cirka en milliard gange.
Forskerne har undersøgt, hvad det betyder at ændre på størrelsen af tallerkenerne, søjlehøjden, nano-prikker og jordplan. Den fremstillede sensor er den bedste, de har været i stand til at bygge. Men de mener dog, at der stadig er mulighed for små forbedringer. Og reglerne for designet kan generaliseres, så de kan bruges til andre formål.
Antennerne har fået navnet "disk-coupled dots-on-pillar antenna-array", eller bare D2PA.
Forskningsartiklen er offentliggjort i tidsskriftet Optics Express. Den kan downloades på det vedstående link.
Men der skulle altså gå 83 år, før den viden kunne udmøntes i et håndgribeligt apparat, der med sikkerhed kan opfange Ramans reflektioner af lys.
Raman-spredning (Scattering = spredning) har været brugt som effektivt værktøj lige siden Raman beskrev det første gang!
Det nye er vist, at det er på enkelt-molekyle-niveau.
Sådan noget kan vel sikkert bruges til at finde og identificere individuelle genstande, f.eks. forsvundne eller stjålne? Kan den også bruges i personeftersøgning, af feks. forulykkede (når der nu står at den kan "lugte")?
SERS med nanostrukturerede overflader er allerede delvist kommercialiseret af DTU...
Nej til begge.
Sensoren kan kun fortælle om noget, der er umiddelbart op ad, og så må man nok betragte det som værende fundet :o)
M.h.t. identificering: Vi taler molekyle-niveau. Hvis du unikt skal kunne identificeret noget her, skal det bestå af et unikt materiale, som jeg forstår det. Det er de færreste få, der har den slags ejendele, vel kun enkelte forskere. Det nytter ikke meget at få at vide, at ringen er af guld og (måske) hvilken legering.
Pointen med denne sensor er at kunne identificere tilstedeværelsen af ultra små koncentrationer af specifikke stoffer - endda uden at ødelægge noget af det stof man ønsker at måle.
Normalt måler man stoffer ved hjælp af spektroskopi eller med andre stoffer der reagere på en bestemt måde med stoffet.
Prisen på maskiner til spektroskopisk analyse stiger eksponentielt med følsomheden på målingerne. Altså jo mindre mængder man vil kunne opdage, jo dyrere er det.
Måling af stoffer via reaktioner med andre stoffer ødelægger for det meste den prøve man måler på, hvilket er upraktisk eller uacceptabelt i mange tilfælde.
Så fordelen ved denne sensor er at den kan masseproduceres så den kan blive billig, og har ultimativ følsomhed over for stofferne den måler på. Et enkelt atom.
Det nye er ikke enkelt-molekyle detektering - se evt.:
K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. Dasari, and M. S. Feld, “Single molecule detection using surface-enhanced Raman scattering (SERS),” Phys. Rev. Lett. 78(9), 1667–1670 (1997).
Tænker at Svante har ret i at det er produktionsmetode.
Kommentarer (6)