Une technique qui combine l'ultrasensibilité de la diffusion Raman améliorée en surface (SERS) avec une surface glissante inventée par les chercheurs de Penn State permettra de détecter des molécules uniques d'un certain nombre d'espèces chimiques et biologiques à partir de gaz, échantillons liquides ou solides. Cette combinaison de surface glissante et de spectroscopie laser ouvrira de nouvelles applications en chimie analytique, diagnostic moléculaire, surveillance environnementale et sécurité nationale.

Les chercheurs, dirigé par Tak-Sing Wong, professeur adjoint de génie mécanique et professeur d'ingénierie de début de carrière de la famille Wormley, appelez leur invention PANTOUFLES, qui est une combinaison de surfaces poreuses glissantes infusées de liquide (SLIPS), une surface d'inspiration biologique à base de pichet asiatique, et SERS.

« Nous avons essayé de développer une plate-forme de capteurs qui nous permet de détecter des produits chimiques ou des biomolécules au niveau d'une seule molécule, qu'ils soient dispersés dans l'air, phase liquide, ou lié à un solide, " a déclaré Wong. " Être capable d'identifier une seule molécule est déjà assez difficile. Être capable de détecter ces molécules dans les trois phases, c'est vraiment difficile."

Wong avait besoin de l'aide du boursier postdoctoral Shikuan Yang pour combiner SERS et SLIPS en un seul processus. Yang a été formé à la spectroscopie Raman dans le laboratoire de caractérisation du Materials Research Institute de Penn State. Son expertise dans la technique SERS et la connaissance de Wong des SLIPS leur ont permis de développer la technologie SLIPSERS. Leur travail a été mis en ligne le 31 décembre 2015 dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

La spectroscopie Raman est une méthode bien connue d'analyse de matériaux sous forme liquide utilisant un laser pour interagir avec les molécules vibrantes dans l'échantillon. La vibration unique de la molécule décale la fréquence des photons dans le faisceau de lumière laser vers le haut ou vers le bas d'une manière qui n'est caractéristique que de ce type de molécule. Typiquement, le signal Raman est très faible et doit être amélioré d'une manière ou d'une autre pour la détection. Dans les années 1970, les chercheurs ont découvert que la rugosité chimique de la surface d'un substrat d'argent concentrait le signal Raman du matériau adsorbé sur l'argent, et SERS est né.

Wong a développé SLIPS en tant que chercheur post-doctoral à l'Université Harvard. SLIPS est composé d'une surface recouverte de réseaux réguliers de tenons nanométriques infusés d'un lubrifiant liquide qui ne se mélange pas avec d'autres liquides. Le faible espacement des nanoposts emprisonne le liquide entre les posts et le résultat est une surface glissante à laquelle rien n'adhère.

"Le problème est qu'essayer de trouver quelques molécules dans un milieu liquide, c'est comme essayer de trouver une aiguille dans une botte de foin, " a déclaré Wong. "Mais si nous pouvons développer un processus pour réduire progressivement la taille de ce volume de liquide, nous pouvons obtenir un meilleur signal. Pour ce faire, nous avons besoin d'une surface qui permet au liquide de s'évaporer uniformément jusqu'à ce qu'il atteigne l'échelle micro ou nanométrique. Les autres surfaces ne peuvent pas faire ça, et c'est là qu'intervient SLIPS."

Si une goutte de liquide est déposée sur une surface normale, il commencera à rétrécir de haut en bas. Lorsque le liquide s'évapore, les molécules cibles sont laissées dans des configurations aléatoires avec des signaux faibles. Mais si toutes les molécules peuvent être regroupées parmi les nanoparticules d'or, ils produiront un signal Raman très fort.

"Nous devons d'abord utiliser des nanoparticules conductrices, comme l'or, " a expliqué Shikuan Yang. " Et puis nous devons les assembler pour qu'ils fassent des écarts nanométriques entre les particules, appelés points chauds. Les molécules se lient aux interstices et un très fort champ électromagnétique se forme. Si nous avons un laser avec la bonne longueur d'onde, les électrons oscilleront et un fort champ magnétique se formera dans la zone de l'entrefer. Cela nous donne un signal très fort."

Bien qu'il existe d'autres techniques qui permettent aux chercheurs de concentrer des molécules sur une surface, ces techniques fonctionnent principalement avec de l'eau comme médium. SLIPS peut être utilisé avec n'importe quel liquide organique.

"Notre technique ouvre de plus grandes possibilités aux personnes d'utiliser d'autres types de solvants pour effectuer une détection SERS à molécule unique, comme la détection environnementale dans des échantillons de sol, " dit Yang. " Si vous ne pouvez utiliser que de l'eau, c'est très limitatif. « En biologie, les chercheurs pourraient vouloir détecter une seule mésappariement de paires de bases dans l'ADN. Notre plateforme leur donnera cette sensibilité."

L'une des prochaines étapes consistera à détecter des biomarqueurs dans le sang pour le diagnostic de la maladie aux tout premiers stades du cancer, lorsque la maladie est plus facilement traitable.

"Nous avons détecté une protéine commune, mais je n'ai pas encore détecté de cancer, " a dit Yang.

Bien que la technologie SLIPS soit brevetée et sous licence, l'équipe n'a pas demandé la protection par brevet de son travail SLIPSERS.

"Nous pensons qu'offrir cette technologie au public la fera développer à un rythme beaucoup plus rapide, " a déclaré le professeur Wong. " Il s'agit d'une plate-forme puissante dont nous pensons que de nombreuses personnes bénéficieront. "