Chemischer Sensorchip mit Annäherung an die Quantengrenze

Forscher der University at Buffalo berichten über eine Weiterentwicklung eines chemischen Sensorchips, der zu tragbaren Geräten führen könnte, die Spuren von Chemikalien – von illegalen Drogen bis hin zu Umweltverschmutzung – so schnell erkennen, wie ein Alkoholtester Alkohol erkennt.

Der Chip kann auch bei der Überwachung der Lebensmittelsicherheit, der Fälschungsbekämpfung und anderen Bereichen eingesetzt werden, in denen Spuren von Chemikalien analysiert werden.

Die Arbeit baut auf früheren Forschungen des Labors von Professor Qiaoqiang Gan auf, bei denen ein Chip entwickelt wurde, der Licht an den Rändern von Gold- und Silbernanopartikeln einfängt. Wenn biologische oder chemische Moleküle auf der Chipoberfläche landen, interagiert ein Teil des eingefangenen Lichts mit den Molekülen und wird in Licht mit neuen Energien „gestreut“. Dieser Effekt tritt in erkennbaren Mustern auf, die als Fingerabdrücke chemischer oder biologischer Moleküle dienen und Informationen darüber preisgeben, welche Verbindungen vorhanden sind.

Da alle Chemikalien einzigartige lichtstreuende Signaturen haben, könnte die Technologie schließlich in ein tragbares Gerät zum Nachweis von Drogen in Blut, Atem, Urin und anderen biologischen Proben integriert werden. Es könnte auch in andere Geräte eingebaut werden, um Chemikalien in der Luft oder aus Wasser sowie anderen Oberflächen zu identifizieren. Die Messmethode wird als oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) bezeichnet.

Der zuvor von der Gan-Gruppe entwickelte Chip war zwar effektiv, aber in seinem Design nicht einheitlich. Da Gold und Silber ungleichmäßig verteilt waren, konnte es schwierig sein, verstreute Moleküle zu identifizieren, insbesondere wenn sie an verschiedenen Stellen des Chips auftauchten. Gan und ein Forscherteam haben daran gearbeitet, diesen Mangel zu beheben.

Das Team verwendete im Herstellungsprozess vier Moleküle (BZT, 4-MBA, BPT und TPT) mit jeweils unterschiedlichen Längen, um die Größe der Lücken zwischen den Gold- und Silber-Nanopartikeln zu steuern. Der aktualisierte Herstellungsprozess basiert auf zwei Techniken, Atomlagenabscheidung und selbstorganisierten Monoschichten, im Gegensatz zu der gebräuchlicheren und teureren Methode für SERS-Chips, der Elektronenstrahllithographie.

Das Ergebnis ist ein SERS-Chip mit ausgezeichneter Gleichmäßigkeit, der relativ kostengünstig herzustellen ist. Noch wichtiger ist, dass es sich an Quantengrenzsensorfähigkeiten annähert, sagt Gan – eine Herausforderung für herkömmliche SERS-Chips.