Nanotecnologie per realizzare sensori di sostanze chimiche più efficienti


    Il mercato dei sensori per la rilevazione delle molecole chimiche è in costante espansione. Dalla rilevazione degli esplosivi negli aeroporti fino all’identificazione delle opere d’arte contraffatte sono molte le aziende che hanno necessità di sensori sempre più potenti e a basso costo.

    Un sottile strato di argento o alluminio funziona come uno specchio e uno strato composto da silice o ossido di alluminio agisce da dielettrico. Credits: Qiaoqiang Gan.Immagine – Nell’immagine sono raffigurati gli elementi alla base della tecnologia. Un sottile strato di argento o alluminio funziona come uno specchio e uno strato composto da silice o ossido di alluminio agisce da dielettrico. Il dielettrico separa lo specchio attraverso delle piccole nanoparticelle metalliche posizionate in modo casuale sulla parte superiore del substrato. Credits: Qiaoqiang Gan.

    Il mercato dei sensori per la rilevazione delle molecole chimiche è in costante espansione. Dalla rilevazione degli esplosivi negli aeroporti fino all’identificazione delle opere d’arte contraffatte stanno facendo aumentare  in maniera esponenziale la richiesta di sensori sempre più potenti.

    Gli attuali sensori per il rilevamento delle sostanze chimiche si basano generalmente sulla Spettroscopia Raman Amplificata da Superfici (Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS).

    Scoperta negli anni ‘70, la spettroscopia Raman amplificata da superfici (dal nome del fisico indiano C.V. Raman) è una tecnica di telerilevamento apprezzata per la sua capacità di identificare molecole chimiche e biologiche in una vasta gamma di settori. Essa ha avuto una limitata diffusione a livello commerciale poiché i materiali necessari per eseguire il rilevamento vengono consumati subito dopo l’uso, sono abbastanza costosi e complicati da produrre.

    Presto tutto ciò potrebbe cambiare.

    Un team di ricerca internazionale guidato dai ricercatori dell’Università di Buffalo, USA ha sviluppato una nanotecnologia che potrebbe rendere più semplici ed economicamente più convenienti i dispositivi basati sulla SERS.

    In un articolo pubblicato sulla rivista Advanced Materials Interfaces viene descritta la nuova tecnologia che potrebbe diventare il punto di partenza per la realizzazione di sensori ultrasensibili a basso costo basati sulla spettroscopia Raman amplificata da superfici.

    "La tecnologia che stiamo sviluppando, un substrato universale per SERS, è unica e potenzialmente rivoluzionaria. Ci permette di identificare e misurare velocemente le molecole chimiche e biologiche attraverso l’uso di una nanostruttura a banda larga che intrappola una vasta gamma di luce" scrive Qiaoqiang Gan, professore di ingegneria elettrica della Buffalo University e autore principale dello studio.

    Quando un potente laser colpisce delle molecole chimiche esse possono eccitarsi dando luogo alla dispersione anelastica, anche conosciuta come dispersione Raman. Nel momento in cui il raggio colpisce le molecole, vengono rilasciati dei fotoni che hanno una frequenza diversa dalla luce laser. Sebbene sia ricco di dettagli, il segnale della dispersione è debole ed è difficile da leggere senza un laser molto potente.

    La tecnica SERS affronta tale problema utilizzando un substrato, ottenuto attraverso un processo di nanofabbricazione, che migliora notevolmente il campo di luce sulla superficie e di conseguenza l'intensità del segnale della dispersione Raman. Purtroppo, i substrati tradizionali sono generalmente progettati per essere sensibili solo ad una gamma molto ristretta di lunghezze d'onda.

    Attualmente quindi sono necessari diversi substrati per rilevare le molecole chimiche facendo aumentare i costi e i tempi per eseguire i test. Il substrato universale risolve il problema perché può intrappolare una vasta gamma di lunghezze d'onda “comprimendole” in spazi molto piccoli così da creare un campo di luce notevolmente migliorato.

    La tecnologia è costituita fondamentalmente da un sottile strato di argento o di alluminio che agisce come uno specchio e uno strato di silice che agisce da dielettrico.

    Il dielettrico separa lo specchio attraverso delle piccole nanoparticelle metalliche posizionate in modo casuale sulla parte superiore del substrato.

    "Invece di aver bisogno di tanti substrati diversi per misurare i segnali Raman a diverse lunghezze d'onda, può essere utilizzato un solo substrato. Proprio come una chiave passepartout che apre molte porte" scrive Nan Zhang coautore dello studio.

    Tale tecnologia potrebbe essere utile per realizzare biosensori per rilevare il cancro, la malaria, l’HIV e altre malattie oppure per realizzare sensori in grado di identificare le sostanze chimiche usate in alcuni tipi di vernici: un ausilio per rilevare tentavi di contraffazione nei dipinti. Inoltre, la tecnologia potrebbe migliorare la capacità degli scienziati di rilevare armi chimiche e le tracce di tossine nell’aria o nell’acqua che sono all’origine di alcuni problemi di salute pubblica. 

    La National Science Foundation sta supportando la ricerca per sviluppare un sistema di biorilevazione in vivo in tempo reale.



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