Extreem gevoelige nano-sensoren detecteren ‘vingerafdruk’ van moleculen

Utrechtse onderzoekers hebben een nieuw type sensor ontwikkeld, ongeveer 500 keer kleiner dan de breedte van een menselijke haar, met een ongekend vermogen om extreem kleine hoeveelheden moleculen te detecteren. Dit maakt het mogelijk om sporen van bijvoorbeeld vervuilende stoffen of geneeskundig relevante moleculen te detecteren en identificeren. De sensoren maken gebruik van Raman-verstrooiing, een fenomeen dat zo goed is in het onderscheiden van verschillende moleculen dat er vaak wordt gesproken over ‘het bepalen van de moleculaire vingerafdruk’. In hun publicatie in Advanced Functional Materials beschrijven de onderzoekers het maken en gebruiken van deze piepkleine sensoren.

Hoofdonderzoeker prof. Alfons van Blaaderen legt uit: “Ons ontwerp begint met gouden nanostaafjes, die de Raman-verstrooiing van moleculen die dicht bij hun uiteinden worden geplaatst tienduizend keer versterken. Van die nanostaafjes bouwen we een bolvormig cluster, waarin de Raman-signalen nog verder worden versterkt. Een cruciale stap was om eerst elk gouden nanostaafje in een beschermende poreuze coating te wikkelen. Door de dikte en porositeit van deze coating aan te passen, konden we bepalen hoe dicht de nanostaafjes op elkaar konden worden gepakt, en hoe makkelijk of moeilijk het is voor moleculen om de sensor binnen te dringen.”

Kleine waterdruppeltjes

Hoofdauteurs Jessi van der Hoeven en Harith Gurunarayanan hielden zich bezig met het samenbrengen van de gecoate staafjes in een nano-sensor. Van der Hoeven legt uit: “We wilden een bolvormig cluster vormen van deze staafjes, waar zogenaamde ‘hot spots’ voor de Raman-verstrooiing elkaar zouden overlappen, om de Raman-signalen nog verder te versterken. Daartoe hebben we de staafjes in kleine waterdruppeltjes in een olie-emulsie geplaatst. Door het water langzaam te laten verdampen, vormden de nanostaafjes automatisch een bolvormig cluster.”

Met deze aanpak konden de onderzoekers een hele reeks verschillend gestructureerde nanosensoren maken. Gurunarayanan voegt toe: “We werden erg enthousiast van deze structuren van nanostaafjes: ze zijn niet alleen mooi om te zien, maar ook heel goed in het detecteren van bijzonder kleine hoeveelheden moleculen, veel beter dan eerdere structuren van gouden nanostaafjes.”

Omdat de Raman-verstrooiingsanalyse zo goed is in het meten van de ‘vingerafdruk’ van moleculen, zijn deze supradeeltjes – deeltjes die zijn opgebouwd uit nanodeeltjes – geschikt voor vele toepassingen, variërend van het onderzoeken van chemische mechanismen in katalyse tot het detecteren van sporen van vervuilende stoffen en moleculen die belangrijk zijn in de biologie of geneeskunde. Belangrijk hierbij is dat draagbare Raman-verstrooiingsapparatuur, die relatief duur is, reeds beschikbaar is.

Ruimte voor verbeteringen

Hoewel deze nieuwe nanosensoren nu al betere prestaties leveren dan eerdere Raman-sensorstructuren van gouden nanostaafjes, melden de onderzoekers enthousiast dat er diverse mogelijkheden zijn om dit eerste ontwerp te verbeteren. De onderzoekers werken al aan verschillende ideeën om de gevoeligheid en functionaliteit van deze structuren verder te optimaliseren. Deze Raman-supradeeltjessensoren hebben letterlijk en figuurlijk een glanzende toekomst voor zich.