با نور لیزر و اثر معروف رامان، نمونه های مواد کوچک می تواند آنالیز شده و نشان دهد که آیا برای مثال اثری از آلاینده ها در آن ها هست یا خیر. در اینجا، زیرلایه ای که نمونه روی آن قرار می گیرد نقش تعیین کننده ای دارد.

طیف سنجی رامان ارتقا یافته سطحی، معروف به SERS ، یک روش آنالیز پیشرفته است که دامنه کاربردهای رامان را تا آنالیز جزئی از جمله آشکارسازی در مقیاس یک میلیونیوم ((ppm از یک آلاینده در آب یا مایعات دیگر، گسترش می دهد. SERS پتانسیل بالایی برای مورد استفاده قرار گرفتن در زمینه های بیوشیمی، پزشکی قانونی، ایمنی غذایی، جرم شناسی و تشخیص پزشکی دارد.

اما پیش از آنکه این روش بتواند در سطوح صنعتی و بالینی به کار گرفته شود، هنوز نیاز به زیرلایه های SERS مقرون به صرفه و قابل اطمینانی است که منجر به سیگنال های طیفی تکرارپذیر شود. دانشمندان علم مواد از دانشگاه کیل، با توسعه یک زیرلایه جدید از نانوساختارهای پلاسمونیک و فوتوکاتالیستی، روش SERS را تا یک سطح پیشرفته ارتقا دادند. این روش، حساسیت، تفکیک پذیری فضایی و زمانی را افزایش داده و به آنالیزهای 50 برابر قوی تر از SERS کلاسیک منجر می شود.

پژوهشگران این زیرلایه جدید را طوری طراحی کردند تا قابلیت استفاده مجدد داشته باشد که به طور چشمگیری هزینه را کاهش می دهد. نتایج آنها در مجله Small منتشر شده است.

زیرلایه نقش مهمی را ایفا می کند

طیف سنجی رامان - که به احترام فیزیکدان و برنده جایزه نوبل Chandrasekhara Venkata Raman چاندراسکارا وِنکاتا رامان نامگذاری شده - روشی برای تعیین ترکیب شیمیایی مواد است. بنابراین می تواند مواد زیان آور را نیز آشکارسازی کند. برای این منظور، نمونه ماده با لیزر تابش داده می شود. براساس سیگنال رامان بازتابیده، می توان در مورد ویژگی های ماده نتایجی استخراج کرد.

جوزیا انگنف شوندو Josiah Ngenev Shondo توضیح می دهد که: " به دلیل برهم کنش با نور لیزر که روی سیگنال رامان تاثیر می گذارد، زیرلایه مهم ترین نقش را در عملکرد این روش آنالیز بازی می کند." به عنوان یک پژوهشگر دکتری در کرسی استادی برای مواد چندگانه، او تلاش می کند تا آشکارسازی و پاکسازی فوتوکاتالیستی آلاینده ها در آب را بهبود بخشد.

اکنون پژوهشگران از طریق ترکیب موادِ با ویژگی های مختلف، موفق به تولید یک زیرلایه جدید برای آنالیز SERS شده اند که سیگنال رامان را به اندازه یک ضریب 50 در مقایسه با SERS کلاسیک ارتقا داده است.

پروفسور اُرال سِنک اکتاس Oral Cenk Aktas می گوید: "این، بیشتر از چیزی است که تا قبل از این روش گزارش شده است." این روش، به شدت حساسیت، تفکیک پذیری فضایی و زمانی را در آنالیز مواد در مقادیر جزئی افزایش می دهد. در نتیجه، حتی مقادیر بسیار کوچک مواد، اکنون می توانند در زمانی کوتاه آنالیز شوند. قبل و بعد از آنالیز ماده، پژوهشگران به زیرلایه نور فرابنفش، به ترتیب برای فعال سازی و پاکسازی، می تابانند.

اکتاس ادامه می دهد: "به این ترتیب آنالیت، تجزیه شده و زیرلایه ای که نسبتا گران قیمت است، اکنون می تواند چندین بار مجددا مورد استفاده قرار بگیرد. ما نشان دادیم که زیرلایه ما می تواند حداقل بیست بار بدون هیچ افتی در فعالیت رامان آن مجددا استفاده شود."

زیرلایه روش SERS را به یک سطح پیشرفته ارتقا می دهد

پژوهشگران، این سطح جدید را با ترکیبی از ساختارهای نانو ستونی ، یک شبکه نانوشکاف، فازهای اکسید ترکیبی نانومقیاس و ساختارهای نانوفلز (""4N-in-1) ایجاد کردند. این سطح، سیگنال رامان را بهبود بخشیده و یک حساسیت آشکارسازی بالا را فراهم می کند. اخیرا طیف سنجی رامان ارتقا یافته فوتوالقایی PIERS، به عنوان توسعه جدیدی از روش SERS مطرح شده است.

با زیرلایه PIERS جدید آنها یعنی"4N-in-1"، گروه پژوهشی ساختارهای پلاسمونیک و فوتوکاتالیستی را به منظور دستیابی به تفکیک پذیری بالا و ارتقا سیگنال در آنالیز SERS ترکیب می کند. دکتر صالح وزیرگلو Salih Veziroglu میگوید: "زیرلایه ما، ویژگی های برتر مختلف را روی همان یک زیرلایه گرد هم می آورد. علاوه بر نانوساختارهای پلاسمونیکی، این زیرلایه از لایه تیتانیم دی اکساید فوق فعال نیز تشکیل می شود."

طرح های بعدی: فرآورده جانبی و ترکیب با روشهای هوش مصنوعی

پروفسور فرانز فائوپل Franz Faupel رئیس دپارتمان می گوید: "این زیرلایه، نتیجه سال های بسیار تجربه دیرینه و مهارتهای مختلف در دپارتمان ما است. اکنون ما می خواهیم یافته های خود از پژوهش پایه را به کاربرد انتقال دهیم." زیرلایه آنها می تواند به آسانی با هر نوع از طیف سنجی رامان ترکیب شود و این ممکن است موجب کاربردهای جدید متفاوتی شود.

به منظور انتقال این روش پیشرفته از طیف سنجی رامان به بازار، آنها در جستجوی دیگر گروه ها و شرکتهای تحقیقاتی در آزمایشگاه و فناوری مرتبط با آنالیز هستند. آنها همچنین قصد دارند تا روش خود را با هوش مصنوعی به منظور ایجاد یک پایگاه داده جامع برای آنالیز مواد ترکیب کنند. این امر می تواند آشکارسازی سریعتر و دقیقتر از مولکولهای منحصر به فرد را فراهم کند.

یک ایده برای کاربرد عینی، پیش از این توسط شوندو در تز دکترای او، بررسی شده که در شُرُف کامل شدن است. در سال 2018، این دانشمند علوم مواد با بورسیه از سرویس تبادلی آکادمیک آلمان ((DAAD به دانشگاه کیل آمد تا برای آلودگی محیطی در زادگاه خود نیجریه کاری انجام دهد. استخراج ذخیره های نفتی بزرگ کشور، خاکها، رودخانه ها و حتی آب آشامیدنی را آلوده می کند.

با این زیر لایه جدید که شوندو و همکارانش توسعه داده اند، او پتانسیل استفاده از آن را با تجهیزات طیف سنجی رامان قابل حمل در نیجریه می بیند: "چون حتی مقادیر کمی از نفت می تواند آشکار سازی و حتی پاکسازی شود، این روش می تواند در مرحله اولیه مورد استفاده قرار گیرد و از آسیب محیطی شدیدتر جلوگیری کند."

منبع:

Nano-structured, reusable substrate for ultra-sensitive detection of pollutants

ترجمه خبر: بهناز ساربانها