Ein Forscherteam unter der Leitung von Ingenieuren der Universität Buffalo in New York (UB) hat ein optisches Gerät entwickelt Dies hat das Potenzial, die Empfindlichkeit und Wirksamkeit der derzeitigen Techniken zur Erkennung von Drogen und Explosivstoffen erheblich zu steigern.
Das University Network (TUN) sprach mit Qiaoqiang Gan, Juniorprofessor für Elektrotechnik an der Hochschule für Technik und Angewandte Wissenschaften der UB und Hauptautor dieser Studie, über die Bedeutung des neuen Geräts.
Neues Gerät ist viel effektiver
Gegenwärtige Methoden zum Nachweis von Arzneimittel- oder Explosivstoffrückständen auf verschiedenen Materialien umfassen Spektroskopie - Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Partikeln und verschiedenen Formen von Lichtwellen. Eine der genauesten Formen der Spektroskopie ist die „Infrarot-Absorptionsspektroskopie“, mit der Arzneimittelmetaboliten im Blutkreislauf eines Menschen gefunden und Partikel explosiven Materials in der Luft nachgewiesen werden. Das Problem ist, dass die Geräte heutzutage nur etwa drei Prozent des Infrarotlichts absorbieren können.
Laut Gan ist die neue Technologie effektiver als die aktuellen optischen Geräte, die für die Spektroskopie eingesetzt werden. "Wir haben eine Lichteinfangstruktur entwickelt, die Infrarotlicht mit sehr hohem Wirkungsgrad (dh ~ 5%, gemessen in unserem Experiment) in Lücken von unter 81-nm zwängen kann, was zu einem sehr starken lokalisierten Lichtfeld führt", sagte Gan. Die Fähigkeit der neuen Technologie, 81-prozentuales Infrarotlicht zu absorbieren, ist angesichts der drei Prozent Absorption der heute verwendeten Geräte erstaunlich.
Wie funktioniert das neue Gerät?
Grundsätzlich besteht das Gerät aus zwei zusammengepressten Blechen mit einer dazwischen liegenden Isolierung. Mit einer Technik, die als „Atomlagenverteilung“ bekannt ist, konnte das Forscherteam die beiden Bleche so dicht zusammenpressen, dass der Spalt zwischen ihnen nur fünf Nanometer breit war.
"In diesem Fall kann das Infrarot-Absorptionsspektrum von Chemikalien oder Biomolekülen erheblich verbessert werden, so dass die Zielmoleküle genauer aufgelöst werden können", erklärte Gan, wie wichtig es ist, den Abstand zwischen den beiden Blechen zu verringern. „Wir haben die Anwendung dieses gepressten Lichts mit einem Verfahren demonstriert, das als SEIRA-Spektroskopie (Surface Enhanced Infrarot Absorption) bekannt ist. Der Sensor, der als Substrat für die zu untersuchenden Materialien fungiert, erhöht die Empfindlichkeit von SEIRA-Geräten, um Moleküle mit einer um das 100-bis 1,000-fache höheren Auflösung als die zuvor gemeldeten Ergebnisse zu erkennen. “
Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Gan und sein Team einen großen Durchbruch in der Spektroskopieforschung erzielt haben. Die optische Vorrichtung kann jedoch noch nicht in Massenproduktion hergestellt werden, da diese optischen Vorrichtungen teuer und schwierig herzustellen sind.
Gan ist begeistert von den Zukunftsaussichten der Erfindung und erkennt gleichzeitig den Weg an, bevor diese Technologie in großem Umfang eingesetzt werden kann. "Der hochempfindliche Bio-Chip befindet sich derzeit in der F & E-Phase", sagte Gan. „Wir entwickeln mit Unterstützung der National Science Foundation eine kostengünstige und großflächige Herstellungsmethode. Wenn diese Herstellungskostenbarriere in 3-5 Jahren behoben werden kann, werden wir an der Kommerzialisierung dieser Technologie arbeiten. “
Sobald die mit der Entwicklung dieser optischen Geräte verbundenen Kosten gesenkt werden können, beginnt die kommerzielle Produktion, und dieses neue optische Gerät wird wahrscheinlich zum Goldstandard in der Infrarotspektroskopie.
Das Papier ist veröffentlicht in der Wiley Online Library.
Zum Forschungsteam gehören auch Dengxin Ji, Alec Cheney, Nan Zhang, Haomin Song und Xie Zeng von der UB, Jun Gao und Suhua Jiang von der Fudan University in China, Haifeng Hu von der Northeastern University in China und Zongfu Yu von der University of Wisconsin , Madison.
