Dzięki opracowanym w Princeton czujnikom możliwe stanie się wykrywanie najmniejszych ilości różnego rodzaju substancji począwszy od biologicznych  zwiastunów wczesnych faz nowotworu, a na materiałach wybuchowych skończywszy.

Mimo, że ramanowskie rozpraszanie światła już od bardzo dawna uznane jest za technikę pozwalającą na identyfikację substancji chemicznych, przez długi czas z przyczyn technologicznych, nie było możliwe zastosowanie go na szeroką skalę. Jego odkrywca, hinduski Chandrasekhara Raman, otrzymał za nie i za całokształt prac nad badaniem rozpraszania światła, Nagrodę Nobla w 1930 roku. Od tego czasu można również datować prace nad rozwojem zastosowań dla tego zjawiska. Kamieniem milowym było oczywiście wynalezienie lasera, jednak mimo niezaprzeczalnych zalet wiązki laserowej, zasadniczym problemem spektroskopii opartej na zjawisku Ramana był niski poziom sygnału.

Jak w każdej odmianie spektroskopii i w wypadku tej opartej na rozpraszaniu ramanowskim mierzy się widmo światła, tym razem jednak rozproszonego na molekułach badanej substancji. Dzięki odkryciu Ramana możemy zdefiniować długości fali światła rozproszonego, które są charakterystyczne dla danej substancji. Jeżeli uda nam się zatem rozproszone promieniowanie odpowiednio zdetekować, możemy uzyskać informacje o składzie chemicznym oraz strukturze badanych cząsteczek.

Niestety, dla większości materiałów będących potencjalnym obiektem badań natężenie zjawiska jest zbyt niskie, by można było marzyć o jego zastosowaniu w wykorzystywanych na szeroką skalę urządzeniach. Wprawdzie w latach 70tych opracowano ulepszoną metodę opierającą się na spostrzeżeniu, że zjawisko ulega wzmocnieniu jeżeli badane cząsteczki umieścić na niewypolerowanej powierzchni metalowej lub małych cząsteczkach złota czy srebra. Okazało się jednak, że w dalszym ciągu zjawisko odbywa się w na tyle losowy sposób, tzn. światło emitowane jest w niemożliwych wcześniej do określenia obszarach detektora, że technika ta (nazwana SERS - surface enhanced Raman scattering) utknęła w ślepym zaułku, z którego mogła się wydostać dopiero dzięki zastosowaniu nanotechnologii.

Czujnik opracowany przez grupę kierowaną przez profesora Stephena Y. Chou posiada zupełnie inną architekturę niż te stosowane dotychczas. Zasadniczą innowacją jest zastosowanie chipów pokrytych jednorodnymi rzędami kolumn składających się z elementów metalowych i dielektrycznych. Każda kolumna posiada strukturę wnęki uformowanej przez metalową głowicę i podstawę na której ścianach osadzone cząstki metalowe o średnicy 20 nm przy odstępie 2 nm tworzące tzw. nananokropki plazmonowe.  Konfiguracja tych maleńkich cząsteczek w znaczny sposób wzmacnia zjawisko Ramana, natomiast wnęki są w stanie akumulować promieniowanie laserowego i dzięki temu działają jak anteny, wielokrotnie emitujące rozpraszaną wiązkę, co prowadzi również do zwielokrotnienia efektu rozpraszania. Detektor został nazwany przez swoich konstruktorów w sposób dość dosłowny "disk-coupled dots-on-pillar antenna-array", lecz zaproponowany przez nich skrót (D2PA) jest już o wiele bardziej przyswajalny.

Opracowanie nowej architektury pozwoliło zwiększyć czułość czujnika aż miliard razy w porównaniu do czułości samego zjawiska, co daje wartość o kilka rzędów wielkości większą, niż uzyskiwana w poprzednich wariantach SERS.

Obecnie grupa w Princeton pracuje nad konstrukcją chipów o nieco mniejszej czułości, które mogłyby znaleźć zastosowanie w przemyśle militarnym w celu detekcji groźnych substancji aktywnych chemicznie czy biologicznie oraz materiałów wybuchowych.

Dobrą wiadomością jest możliwość seryjnego i taniego wytwarzania matryc tego typu czujników dzięki zastosowaniu metod samoorganizacji i nanodruku. Obecnie zespół wyprodukował chipy na standardowych 4 calowych podłożach, lecz przeskalowanie produkcji na większe podłoża nie jest trudne.

Informacja o innowacji ukazała się w lutowym Optics Express, badania są finansowane w ramach DARPA.

Źródło: ScienceDaily

Artykuł: Wen-Di Li, Fei Ding, Jonathan Hu, Stephen Y. Chou. Three-dimensional cavity nanoantenna coupled plasmonic nanodots for ultrahigh and uniform surface-enhanced Raman scattering over large area. Optics Express, 2011; 19 (5): 3925 DOI: 10.1364/OE.19.003925