Extreem gevoelige nanosensoren kunnen sporen van moleculen detecteren

Silica-gecoate AuNR-supradeeltjes als een afstembaar platform voor detectie: de interdeeltjesafstand, massa- en warmtetransport en plasmonische eigenschappen kunnen allemaal worden afgestemd via de eigenschappen van de individuele Au@SiO₂ NR bouwstenen. Credit: Geavanceerde functionele materialen (2022). DOI: 10.1002/adfm.202200148

Utrechtse onderzoekers hebben een nieuw type sensor ontwikkeld, ongeveer 500 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar, met een ongekend vermogen om extreem kleine hoeveelheden moleculen te detecteren. Deze sensoren kunnen worden gebruikt om sporen van stoffen, zoals chemische verontreinigende stoffen of moleculen die belangrijk zijn in de geneeskunde, te detecteren en te identificeren. De sensoren maken gebruik van Raman-verstrooiing, een fenomeen dat zulke unieke signalen geeft voor verschillende moleculen dat het vaak ‘moleculaire vingerafdrukken’ wordt genoemd. In hun publicatie in Geavanceerde functionele materialenpresenteren de onderzoekers de voorbereiding en het gebruik van deze kleine sensoren.

Hoofdonderzoeker prof. Alfons van Blaaderen legt uit dat hun “ontwerp berust op de assemblage van gouden nanostaafjes, die de Raman-verstrooiing van moleculen die dicht bij hun uiteinden zijn geplaatst tienduizenden keren versterken, tot een groter bolvormig cluster waarin de Raman-signalen nog verder verbeterd. Een cruciale stap in de voorbereiding was om eerst elke gouden nanostaaf in zijn eigen beschermende poreuze coating te wikkelen. Door de dikte en porositeit van deze coating te regelen, konden we bepalen hoe dicht de nanostaafjes bij elkaar konden worden gepakt, en hoe gemakkelijk of moeilijk is het voor moleculen om de sensor binnen te gaan.”

Kleine waterdruppels

Het samenbrengen van de gecoate staven in een nanosensor was een belangrijk doel voor hoofdauteurs Jessi van der Hoeven en Harith Gurunarayanan. Van der Hoeven legt uit dat ze “beheersbaar een bolvormig cluster wilden vormen uit deze staven, waar zogenaamde ‘hotspots’ voor de Raman-verstrooiing elkaar zouden overlappen en de Raman-signalen nog verder zouden versterken. Om dit te doen, plaatsten we de staven in kleine waterdruppeltjes. Door het water langzaam te verdampen, werden de nanostaafjes gedwongen samen te pakken tot een bolvormig geheel.”

Met deze aanpak konden de onderzoekers een hele reeks verschillend gestructureerde nanosensoren maken. Gurunarayanan voegt eraan toe dat ze “verheugd waren om te zien dat deze nanostaafjes niet alleen mooie structuren waren, maar ook heel goed in het detecteren van zeer kleine hoeveelheden moleculen, beter dan eerdere samenstellingen van gouden nanostaafjes.”

Vanwege de vingerafdrukmogelijkheden van de Raman-verstrooiingsanalyse, zijn deze supradeeltjes – deeltjes opgebouwd uit nanodeeltjes – geschikt voor veel toepassingen, variërend van het onderzoeken van chemische mechanismen in katalyse tot het detecteren van sporen van chemische verontreinigende stoffen en moleculen die belangrijk zijn in de biologie of de geneeskunde. Het is belangrijk om te vermelden dat draagbare Raman-verstrooiingsapparatuur, die relatief duur is, al beschikbaar is.

Hoewel de gerealiseerde detectie-supradeeltjes beter presteerden dan eerder gerapporteerde Raman-detectiestructuren van gouden nanostaafjes, is het ook opwindend dat er nog steeds voldoende ruimte is voor belangrijke verbeteringen aan dit oorspronkelijke ontwerp. Er worden al veel ideeën onderzocht om de gevoeligheid en functionaliteit van deze samenstellingen verder te optimaliseren. Deze Raman supradeeltjessensoren hebben letterlijk en figuurlijk een mooie toekomst voor zich.