美國(guó)紐約州立大學(xué)水牛城分校(University of Buffalo)的研究人員們近開發(fā)出一種通用的納米級(jí)基板，可望為目前普遍使用的物質(zhì)傳感器技術(shù)——“表面增強(qiáng)拉曼散射”(SERS)提供關(guān)鍵的“萬能 鑰匙”(skeleton key)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)成本低廉的單芯片版本。

這種針對(duì)物質(zhì)傳感器開發(fā)的通用型納米級(jí)基板，能夠大幅削減目前的設(shè)備成本，包括從機(jī)場(chǎng)安全偵測(cè)器、疾病與環(huán)境污染的辨識(shí)，以及藝術(shù)畫作的鑒定。根據(jù)研究人員們表示，這種通用的基板可透過SERS技術(shù)，取代當(dāng)今需要某種特定波長(zhǎng)的基板。

“我們已經(jīng)開發(fā)出一種未經(jīng)報(bào)導(dǎo)的獨(dú)特基板，”約州立大學(xué)水牛城分校電子工程教授Qiaoqiang Gan表示，“我們能以納米圖案單層捕獲寬帶的光源，并將它擠壓于狹窄的縫隙中，以取得必要的局部場(chǎng)效增強(qiáng)效果。先前研究的納米結(jié)構(gòu)僅適用于窄頻。”該校 博士候選人Nan Zhang與Kai Liu也協(xié)助Gan進(jìn)行了這項(xiàng)研究。

這種新式傳感器的秘訣在于可作為反射鏡的銀或鋁薄膜，以及二氧化硅或氧化鋁的電解層，用于隨機(jī)分離具有微小金屬納米粒子的反射鏡。Source：University of Buffalo

目前，SERS傳感器是一種辨識(shí)任何物質(zhì)種類時(shí)所廣泛用的方法；其作法是透過雷射光線照射，然后讀取該物質(zhì)的拉曼散射簽名，使其得以搭配廣泛可用且任何感興 趣的化學(xué)或生物物質(zhì)。遺憾的是，Gan指出，當(dāng)今不同的物質(zhì)測(cè)試必須使用各種不同的基板，加上用于執(zhí)行這些測(cè)試的消耗品由于制造技術(shù)復(fù)雜而過于昂貴。

然而，由于約州立大學(xué)水牛城分校開發(fā)出新的“通用型”基板，透過納米級(jí)圖案技術(shù)可望改善SERS辨識(shí)物質(zhì)的能力，以及降低建置程序的成本。

Gan說：“在使用傳統(tǒng)技術(shù)時(shí)，人們必須利用能與相應(yīng)波長(zhǎng)搭配的合適基板，然后重復(fù)實(shí)驗(yàn)不同波長(zhǎng)時(shí)的結(jié)果，這十分浪費(fèi)時(shí)間。而且還會(huì)消耗更多的物質(zhì)與基板。”

其秘訣在于這種新的納米圖案基板，具備了捕捉廣泛雷射波長(zhǎng)的能力，從而可使單個(gè)組件快速執(zhí)行完光譜測(cè)試，而無需為所使用的每一種雷射波長(zhǎng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。 Gan將它比喻為這一過程中的“萬能 鑰匙”，不必再為每一種所用光源的波長(zhǎng)分別解鎖了。這種基板還增加了拉曼散射的響應(yīng)密度，從而實(shí)現(xiàn)功耗更低且成本低廉的光源。

這種納米圖案基板利用(銀或鋁)薄膜在電介質(zhì)下方作為反射鏡，隨機(jī)測(cè)量納米級(jí)金金屬粒子。其結(jié)果是，在拉曼散射辨識(shí)技術(shù)中所用的光源節(jié)任何波長(zhǎng)都有適當(dāng)?shù)墓庾訄D案。

至于未來，Gan認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)還不足以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，因此，目前正尋找制造合作伙伴或進(jìn)行授權(quán)。

“我們正與一些企業(yè)合作，追求商業(yè)化的機(jī)會(huì)，因?yàn)槲覀兊慕Y(jié)構(gòu)是非常低成本的。目前，商用SERS基板仍然相對(duì)昂貴。我們相信這種通用芯片可為用戶提供一個(gè)選擇，使其進(jìn)行第一次篩選試驗(yàn)，確定在相同芯片上利用幾種不同波長(zhǎng)的化學(xué)/分子是什么物質(zhì)，”Gan表示。

這項(xiàng)研究的經(jīng)費(fèi)是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)贊助。該研究的詳細(xì)結(jié)果已發(fā)表于近一期的《先進(jìn)材料界面》期刊中。

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