De la sécurité des aéroports détectant les explosifs aux historiens de l'art authentifiant des peintures, la soif de la société pour des capteurs puissants augmente.

Étant donné que, peu de techniques de détection peuvent égaler le bourdonnement créé par la spectroscopie Raman à surface améliorée (SERS).

Découvert dans les années 1970, SERS est une technique de détection appréciée pour sa capacité à identifier des molécules chimiques et biologiques dans un large éventail de domaines. Il a été commercialisé, mais pas largement, parce que les matériaux requis pour effectuer la détection sont consommés lors de l'utilisation, relativement coûteux et compliqué à fabriquer.

Cela pourrait bientôt changer.

Une équipe de recherche internationale dirigée par des ingénieurs de l'Université de Buffalo a développé une nanotechnologie qui promet de rendre le SERS plus simple et plus abordable.

Décrit dans un article de recherche publié aujourd'hui dans la revue Interfaces de matériaux avancées , l'avancement de la photonique vise à améliorer notre capacité à détecter des traces de molécules dans les maladies, agents de guerre chimique, tableaux frauduleux, contaminants environnementaux et plus encore.

"La technologie que nous développons - un substrat universel pour SERS - est une technologie unique et, potentiellement, caractéristique révolutionnaire. Il nous permet d'identifier et de mesurer rapidement des molécules chimiques et biologiques à l'aide d'une nanostructure à large bande qui piège une large gamme de lumière, " a déclaré Qiaoqiang Gan, professeur adjoint de génie électrique à l'UB et auteur principal de l'étude.

Les autres auteurs de l'étude sont :les doctorants de l'UB en génie électrique Nan Zhang, Kai Liu, Chanson Haomin, Xie Zeng, Dengxin Ji et Alec Cheney; et Suhua Jiang, professeur agrégé de science des matériaux, et Zhejun Liu, Doctorant, tous deux à l'Université Fudan en Chine.

Lorsqu'un laser puissant interagit avec des molécules chimiques et biologiques, le processus peut exciter les modes vibrationnels de ces molécules et produire une diffusion inélastique, également appelée diffusion Raman, de la lumière. Lorsque le faisceau frappe ces molécules, il peut produire des photons qui ont une fréquence différente de la lumière laser. Bien que riche en détails, le signal de diffusion est faible et difficile à lire sans un laser très puissant.

SERS résout le problème en utilisant un substrat à nanomotifs qui améliore considérablement le champ lumineux à la surface et, donc, l'intensité de diffusion Raman. Malheureusement, les substrats traditionnels ne sont généralement conçus que pour une gamme très étroite de longueurs d'onde.

Ceci est problématique car différents substrats sont nécessaires si les scientifiques veulent utiliser un laser différent pour tester les mêmes molécules. À son tour, cela nécessite plus de molécules chimiques et de substrats, augmentation des coûts et du temps pour effectuer le test.

Le substrat universel résout le problème car il peut piéger une large gamme de longueurs d'onde et les comprimer dans de très petits espaces pour créer un champ lumineux fortement amélioré.

La technologie consiste en une fine pellicule d'argent ou d'aluminium qui agit comme un miroir, et une couche diélectrique de silice ou d'alumine. Le diélectrique sépare le miroir avec de minuscules nanoparticules métalliques espacées de manière aléatoire au sommet du substrat.

"Il agit comme une clé squelette. Au lieu d'avoir besoin de tous ces différents substrats pour mesurer les signaux Raman excités par différentes longueurs d'onde, vous n'en aurez finalement besoin que d'un. Tout comme un passe-partout qui ouvre de nombreuses portes, " dit Zhang.

"Les applications d'un tel dispositif sont vastes, " a déclaré Kai Liu. " La capacité de détecter des quantités encore plus petites de molécules chimiques et biologiques pourrait être utile avec les biocapteurs utilisés pour détecter le cancer, Paludisme, VIH et autres maladies."

Il pourrait être utile d'identifier les produits chimiques utilisés dans certains types de peinture. Cela pourrait être utile pour détecter des œuvres d'art falsifiées ainsi que pour restaurer des œuvres d'art vieillissantes. Aussi, la technologie pourrait améliorer la capacité des scientifiques à détecter des traces de toxines dans l'air, l'eau ou d'autres espaces qui sont des causes de problèmes de santé. Et cela pourrait aider à la détection d'armes chimiques.

La National Science Foundation a soutenu la recherche dans le cadre d'une subvention pour développer un système de biodétection in vivo en temps réel. Gan partage la subvention avec Josep M. Jornet et Zhi Sun, tous deux professeurs assistants en génie électrique à l'UB.