Detección de contaminantes a niveles ultratraza
Científicos de materiales desarrollan un sustrato nanoestructurado y reutilizable para la detección ultrasensible de analitos de baja concentración - Spin-off prevista
La dispersión (o espectroscopia) Raman mejorada en superficie, conocida como SERS, es un método de análisis avanzado que amplía la gama de aplicaciones Raman al análisis de trazas, como la detección del nivel de parte por millón de un contaminante en el agua o en diferentes líquidos. El SERS tiene un gran potencial de aplicación en los campos de la bioquímica, la medicina forense, la seguridad alimentaria, la detección de amenazas y el diagnóstico médico. Pero antes de que el método pueda aplicarse a nivel industrial y clínico, sigue siendo necesario disponer de sustratos SERS baratos y fiables que permitan obtener señales espectrales reproducibles. Científicos de materiales de la Universidad de Kiel han llevado el método SERS a un nivel avanzado desarrollando un nuevo sustrato con nanoestructuras plasmónicas y fotocatalíticas. Este sustrato aumenta la sensibilidad y la resolución espacial y temporal y permite realizar análisis 50 veces más potentes que los SERS clásicos. Los investigadores diseñaron este nuevo sustrato también reutilizable, lo que reduce significativamente el coste. Sus resultados se han publicado en la revista Small.
Con luz láser y el llamado efecto Raman, se pueden analizar pequeñas muestras de material y saber si, por ejemplo, contienen trazas de sustancias contaminantes. El sustrato desempeña aquí un papel decisivo.
Cenk Aktas / Josiah Shondo
El sustrato desempeña un papel crucial
La espectroscopia Raman -que debe su nombre al físico y premio Nobel Chandrasekhara Venkata Raman- es un método que permite determinar la composición química de los materiales y, por tanto, también detectar sustancias nocivas. Para ello, se irradia una muestra de material con un láser. A partir de la señal Raman reflejada, se pueden extraer conclusiones sobre las propiedades del material. "El sustrato desempeña el papel más crítico en el rendimiento de esta técnica analítica, ya que las interacciones con la luz láser influyen en la señal Raman", explica Josiah Ngenev Shondo. Como investigador doctoral de la Cátedra de Materiales Multicomponentes, trabaja en materiales para mejorar la detección y limpieza fotocatalítica de contaminantes en el agua.
Mediante la combinación de materiales con propiedades diferentes, los miembros de la cátedra han logrado producir un sustrato novedoso para el análisis SERS que mejora la señal Raman en un factor de 50 en comparación con el SERS clásico. "Es más de lo que se había registrado hasta ahora con este método", afirma el profesor Oral Cenk Aktas. Eso aumenta enormemente la sensibilidad y la resolución espacial y temporal en el análisis de materiales en cantidades traza. Como resultado, ahora se pueden analizar incluso cantidades muy pequeñas de material en poco tiempo". Antes y después del análisis del material, los investigadores irradian el sustrato con luz UV para activarlo y limpiarlo, respectivamente. "De este modo, el analito se descompone y el sustrato, que es bastante caro, puede reutilizarse varias veces. Hemos demostrado que nuestro sustrato puede reutilizarse al menos veinte veces sin que pierda su actividad Raman", prosigue Aktas.
Este nuevo sustrato lleva el enfoque SERS a un nivel avanzado
Para lograrlo, los investigadores crearon una superficie novedosa compuesta por estructuras nanocolumnares, una red de nanocracks, fases de óxido mixto a nanoescala y estructuras nanometálicas ("4N-en-1"). Esta superficie mejora la señal Raman y proporciona una alta sensibilidad de detección.
"Recientemente se ha propuesto la PIERS (Photo Induced Enhanced Raman Spectroscopy), una nueva extensión del método SERS. Con su novedoso sustrato PIERS "4N-in-1", el equipo de investigación contribuye a este nuevo enfoque combinando conceptos plasmónicos y de fotocatálisis para lograr una alta resolución y una mejora de la señal en el análisis SERS. "Nuestro sustrato reúne varias propiedades superiores en el mismo sustrato. Además de las nanoestructuras plasmónicas, está compuesto por una capa de dióxido de titanio extremadamente activa", explica el Dr. Salih Veziroglu. Su investigación sobre los materiales del sustrato se financió en parte con una subvención de KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science), un área de investigación prioritaria de la Universidad de Kiel.
Otros planes: Spin-off y combinación con métodos de IA
"Este sustrato es el resultado de muchos años de experiencia y diversos conocimientos en nuestra cátedra. Ahora queremos trasladar nuestros hallazgos de la investigación fundamental a una aplicación", afirma el profesor Franz Faupel, director de la cátedra. Su sustrato puede combinarse fácilmente con cualquier tipo de espectroscopia Raman, lo que puede desencadenar diversas aplicaciones nuevas". Para sacar al mercado su método avanzado de espectroscopia Raman, están buscando otros grupos de investigación y empresas del ámbito de la tecnología analítica y de laboratorio. También planean combinar su método con la inteligencia artificial (IA) para crear una base de datos completa para el análisis de materiales. Esto podría permitir una detección más rápida y precisa también de moléculas individuales.
Una idea para una aplicación concreta ya fue investigada por Shondo
en su tesis doctoral, que está a punto de concluir. En 2018, el científico de materiales llegó a la Universidad de Kiel con una beca del Servicio Alemán de Intercambio Académico (DAAD) para hacer algo contra la contaminación ambiental en su país natal, Nigeria. La extracción de los grandes yacimientos de petróleo del país contamina suelos, ríos e incluso el agua potable. Con el nuevo sustrato que Shondo y sus colegas han desarrollado, también ve potencial para utilizarlo con equipos portátiles de espectroscopia Raman en Nigeria: "Como se pueden detectar e incluso eliminar pequeñas cantidades de petróleo, este método podría utilizarse en una fase temprana y evitar daños ambientales peores".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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