Un capteur chimique hautement sensible basé sur la spectroscopie Raman et utilisant du graphène dopé à l'azote comme substrat a été développé par une équipe internationale de chercheurs travaillant à Penn State. Dans ce cas, le dopage fait référence à l'introduction d'atomes d'azote dans la structure carbonée du graphène. Cette technique permet de détecter des traces de molécules dans une solution à de très faibles concentrations, une dizaine, 000 fois plus dilué que ce que l'on peut voir à l'œil nu.

La spectroscopie Raman est une technique d'identification largement adoptée utilisée en chimie, la science des matériaux et l'industrie pharmaceutique pour détecter les vibrations internes uniques de diverses molécules. Lorsqu'une lumière laser irradie des cristaux ou des molécules, il disperse et change les couleurs. Cette lumière diffusée peut être détectée sous la forme d'un spectre Raman, qui sert presque d'empreinte digitale pour chaque système irradié Raman-actif.

"Essentiellement, différentes couleurs du spectre visible seront associées à différentes énergies, " a déclaré Mauricio Terrones, professeur de physique, chimie et science des matériaux à Penn State, qui a dirigé la recherche. "Imaginez que chaque molécule a une émission de couleur de lumière particulière, parfois jaune, parfois vert. Cette couleur est associée à une énergie discrète."

L'équipe a choisi trois types de molécules de colorant fluorescent pour leurs expériences. Colorants fluorescents, qui sont fréquemment utilisés comme marqueurs dans les expériences biologiques, sont particulièrement difficiles à détecter en spectroscopie Raman car la fluorescence a tendance à effacer le signal. Cependant, lorsque le colorant est ajouté au graphène ou au substrat de graphène dopé N, la photoluminescence - fluorescence - est éteinte.

A lui seul, le signal Raman est si faible que de nombreuses méthodes ont été utilisées pour améliorer le signal. Une technique d'amélioration récemment développée utilise du graphène vierge comme substrat, ce qui peut améliorer le signal Raman de plusieurs ordres de grandeur. Dans un article publié en ligne aujourd'hui (22 juillet) dans la revue Avancées scientifiques , Terrones et ses collègues ont révélé que l'ajout d'atomes d'azote au graphène vierge améliore encore la sensibilité et, surtout, ils ont donné une explication théorique de la façon dont le graphène et le graphène dopé N provoquent l'amélioration.

"En contrôlant le dopage à l'azote, nous pouvons déplacer la bande interdite du graphène, et le décalage crée un effet de résonance qui améliore considérablement les modes de vibration Raman de la molécule, " a déclaré l'auteur principal Simin Feng, un étudiant diplômé du groupe de Terrones.

"C'est une recherche fondamentale, " a déclaré Ana Laura Elias, un co-auteur et associé de recherche dans le laboratoire de Terrones. "Il est difficile de quantifier l'amélioration car elle sera différente pour chaque matériau et couleur de lumière. Mais dans certains cas, nous passons de zéro à quelque chose que nous pouvons détecter pour la première fois. Vous pouvez alors voir beaucoup de fonctionnalités et étudier beaucoup de physique. Pour moi, l'aspect le plus important de ce travail est notre compréhension du phénomène. Cela conduira à des améliorations de la technique."

Terrones ajouté, "Nous avons effectué des travaux théoriques et expérimentaux approfondis. Nous avons expliqué pourquoi le graphène dopé à l'azote fonctionne beaucoup mieux que le graphène ordinaire. Je pense que c'est une percée, car dans notre article, nous expliquons le mécanisme de détection de certaines molécules."

En raison de l'inertie chimique et de la biocompatibilité du graphène, l'équipe s'attend à ce que la nouvelle technique soit efficace pour détecter des traces de molécules organiques. Elias est enthousiasmé par la perspective de combiner la technique avec les spectromètres Raman portables disponibles qui peuvent être emportés dans des endroits éloignés pour détecter, par exemple, virus dangereux. Les colorants fluorescents qu'ils ont étudiés permettront de détecter rapidement et facilement la présence de composés à l'intérieur des cellules biologiques. Parce que la technique est simple - il suffit de plonger le substrat de graphène dans une solution pendant une courte période de temps - il devrait être possible de créer une bibliothèque complète du spectre Raman de molécules spécifiques, dit Terrones.

Des chercheurs du Brésil, La Chine et le Japon ont contribué à ce travail en visitant le laboratoire Terrones à Penn State. L'article s'intitule "Capteur moléculaire ultrasensible utilisant du graphène dopé N par diffusion Raman améliorée".