13.01.2021 - University at Buffalo

Forscher berichten über einen an die Quantengrenze heranreichenden Chip für chemische Sensorik

Studie zeigt Verbesserungen an chemischem Sensorchip, der Drogen und andere chemische Spuren schnell und genau identifizieren soll

Forscher der University at Buffalo berichten über eine Weiterentwicklung eines chemischen Sensorchips, der zu tragbaren Geräten führen könnte, die Spuren von Chemikalien - von illegalen Drogen bis hin zu Umweltverschmutzung - so schnell erkennen wie ein Alkoholtester Alkohol.

Der Chip, der auch bei der Überwachung der Lebensmittelsicherheit, bei der Bekämpfung von Fälschungen und in anderen Bereichen, in denen chemische Spuren analysiert werden, eingesetzt werden kann, wird in einer Studie beschrieben, die auf dem Cover der Ausgabe vom 17. Dezember der Zeitschrift Advanced Optical Materials erscheint.

"Es besteht ein großer Bedarf an tragbaren und kostengünstigen chemischen Sensoren in vielen Bereichen, insbesondere bei Drogenmissbrauch", sagt der Hauptautor der Studie, Qiaoqiang Gan, PhD, Professor für Elektrotechnik an der UB School of Engineering and Applied Sciences.

Die Arbeit baut auf früheren Forschungen auf, die Gans Labor leitete und bei denen ein Chip entwickelt wurde, der Licht an den Rändern von Gold- und Silber-Nanopartikeln einfängt.

Wenn biologische oder chemische Moleküle auf der Oberfläche des Chips landen, interagiert ein Teil des eingefangenen Lichts mit den Molekülen und wird in Licht mit neuen Energien "gestreut". Dieser Effekt tritt in erkennbaren Mustern auf, die wie Fingerabdrücke von chemischen oder biologischen Molekülen wirken und Informationen über die vorhandenen Verbindungen preisgeben.

Da alle Chemikalien einzigartige Lichtstreuungssignaturen haben, könnte die Technologie schließlich in ein Handgerät zum Nachweis von Drogen in Blut, Atemluft, Urin und anderen biologischen Proben integriert werden. Sie könnte auch in andere Geräte integriert werden, um Chemikalien in der Luft oder im Wasser sowie auf anderen Oberflächen zu identifizieren.

Die Sensormethode wird oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) genannt.

Der Chip, den die Gan-Gruppe zuvor erstellt hatte, war zwar effektiv, aber nicht einheitlich gestaltet. Da das Gold und Silber ungleichmäßig verteilt war, konnte es dazu führen, dass gestreute Moleküle schwer zu identifizieren waren, besonders wenn sie an verschiedenen Stellen des Chips auftraten.

Gan und ein Team von Forschern - darunter Mitglieder seines Labors an der UB und Forscher von der University of Shanghai for Science and Technology in China und der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien - haben daran gearbeitet, dieses Manko zu beheben.

Das Team verwendete vier Moleküle (BZT, 4-MBA, BPT und TPT) mit jeweils unterschiedlichen Längen im Herstellungsprozess, um die Größe der Lücken zwischen den Gold- und Silber-Nanopartikeln zu kontrollieren. Der aktualisierte Herstellungsprozess basiert auf zwei Techniken, der Atomlagenabscheidung und der selbstorganisierenden Monoschichten, im Gegensatz zu der gängigeren und teureren Methode für SERS-Chips, der Elektronenstrahllithographie.

Das Ergebnis ist ein SERS-Chip mit beispielloser Homogenität, der relativ kostengünstig zu produzieren ist. Noch wichtiger ist, dass er sich den Fähigkeiten der Quantenlimitierung nähert, sagt Gan, was für herkömmliche SERS-Chips eine Herausforderung war

"Wir denken, dass der Chip viele Verwendungsmöglichkeiten haben wird, zusätzlich zu tragbaren Geräten zum Nachweis von Medikamenten", sagt der Erstautor dieser Arbeit, Nan Zhang, PhD, ein Postdoktorand in Gans Labor. "Es könnte zum Beispiel verwendet werden, um Luft- und Wasserverschmutzung oder die Sicherheit von Lebensmitteln zu beurteilen. Es könnte im Sicherheits- und Verteidigungssektor nützlich sein, und es hat ein enormes Potenzial im Gesundheitswesen."

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