Nanogestructureerd, herbruikbaar substraat voor ultragevoelige detectie van verontreinigende stoffen

Oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing (of spectroscopie), bekend als SERS, is een geavanceerde analysemethode die het bereik van Raman-toepassingen uitbreidt tot sporenanalyse, zoals detectie op part-per-miljoen-niveau van een verontreinigende stof in water of verschillende vloeistoffen. SERS heeft een groot potentieel om te worden gebruikt op het gebied van biochemie, forensisch onderzoek, voedselveiligheid, detectie van bedreigingen en medische diagnostiek.

Maar voordat de methode op industrieel en klinisch niveau kan worden toegepast, is er nog steeds behoefte aan goedkope en betrouwbare SERS-substraten die reproduceerbare spectrale signalen mogelijk maken. Materiaalwetenschappers van de universiteit van Kiel hebben de SERS-benadering naar een hoger niveau getild door een nieuw substraat te ontwikkelen met plasmonische en fotokatalytische nanostructuren. Het verhoogt de gevoeligheid, ruimtelijke en temporele resolutie en leidt tot 50 keer krachtigere analyses dan klassieke SERS.

Onderzoekers hebben dit nieuwe substraat ontworpen om herbruikbaar te zijn, wat de kosten aanzienlijk verlaagt. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Klein.

De ondergrond speelt een cruciale rol

Raman-spectroscopie – genoemd naar natuurkundige en Nobelprijswinnaar Chandrasekhara Venkata Raman – is een methode om de chemische samenstelling van materialen te bepalen. Daarom kan het ook schadelijke stoffen detecteren. Hiervoor wordt een materiaalmonster bestraald met een laser. Op basis van het gereflecteerde Raman-signaal kunnen conclusies worden getrokken over de eigenschappen van het materiaal.

“Het substraat speelt de meest cruciale rol in de prestaties van deze analytische techniek, omdat interacties met het laserlicht het Raman-signaal beïnvloeden”, legt Josiah Ngenev Shondo uit. Als promovendus bij de Leerstoel Multicomponent Materials werkt hij aan het verbeteren van de detectie en fotokatalytische opruiming van verontreinigende stoffen in water.

Door materialen met verschillende eigenschappen te combineren, zijn de onderzoekers er nu in geslaagd een nieuw substraat voor SERS-analyse te produceren dat het Raman-signaal met een factor 50 versterkt in vergelijking met klassieke SERS.

“Dat is meer dan ooit eerder is gemeld voor deze methode”, zegt professor Oral Cenk Aktas. Dat verhoogt enorm de gevoeligheid, ruimtelijke en temporele resolutie bij de analyse van materialen in kleine hoeveelheden. Hierdoor kunnen nu zelfs zeer kleine hoeveelheden materiaal in korte tijd worden geanalyseerd. Voor en na de materiaalanalyse bestralen de onderzoekers het substraat met UV-licht voor respectievelijk activering en reiniging.

“Op deze manier wordt de analyt afgebroken en kan het substraat, dat vrij kostbaar is, nu meerdere keren worden hergebruikt. We hebben aangetoond dat ons substraat minstens twintig keer kan worden hergebruikt zonder verlies van zijn Raman-activiteit”, vervolgt Aktas.

Substraat voert de SERS-benadering naar een geavanceerd niveau

De onderzoekers creëerden het nieuwe oppervlak met een samenstelling van nanokolomstructuren, een nanocrack-netwerk, gemengde oxidefasen op nanoschaal en nanometallische structuren (“4N-in-1”). Dit oppervlak versterkt het Raman-signaal en zorgt voor een hoge detectiegevoeligheid. Onlangs is PIERS (Photo Induced Enhanced Raman Spectroscopy), een nieuwe uitbreiding van de SERS-methode, voorgesteld.

Met hun nieuwe PIERS-substraat “4N-in-1” combineert het onderzoeksteam plasmonische en fotokatalyseconcepten om een ​​hoge resolutie en signaalverbetering in SERS-analyse te bereiken. “Ons substraat brengt verschillende superieure eigenschappen samen op hetzelfde substraat. Naast de plasmonische nanostructuren is het samengesteld uit een extreem actieve titaniumdioxidelaag”, zegt dr. Salih Veziroglu.

Verdere plannen: Spin-off en combinatie met AI-methodes

“Dit substraat is het resultaat van jarenlange jarenlange ervaring en verschillende expertises in onze leerstoel. Nu willen we onze bevindingen uit fundamenteel onderzoek omzetten in een toepassing”, zegt professor Franz Faupel, hoofd van de leerstoel. Hun substraat kan gemakkelijk worden gecombineerd met elk type Raman-spectroscopie, en dit kan leiden tot verschillende nieuwe toepassingen.

Om hun geavanceerde methode van Raman-spectroscopie naar de markt te brengen, zoeken ze andere onderzoeksgroepen en bedrijven in laboratorium- en analytische technologie. Ze zijn ook van plan hun methode te combineren met kunstmatige intelligentie (AI) om een ​​uitgebreide gegevensbasis voor materiaalanalyse te creëren. Dit zou een snellere en nauwkeurigere detectie van individuele moleculen mogelijk kunnen maken.

Eén idee voor een concrete toepassing onderzocht Shondo al in zijn proefschrift, dat binnenkort wordt afgerond. In 2018 kwam de materiaalwetenschapper met een beurs van de Duitse Academic Exchange Service (DAAD) naar de universiteit van Kiel om iets te doen aan de milieuvervuiling in zijn thuisland Nigeria. De winning van de grote olievoorraden van het land verontreinigt bodems, rivieren en zelfs drinkwater.

Met het nieuwe substraat dat Shondo en zijn collega’s hebben ontwikkeld, ziet hij mogelijkheden om het te gebruiken met draagbare Raman-spectroscopieapparatuur in Nigeria: “Omdat zelfs kleine hoeveelheden olie kunnen worden gedetecteerd en zelfs verwijderd, kan deze methode in een vroeg stadium worden gebruikt en voorkomen erger milieuschade.”