p Usando nanotubos de carbono, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Hyung Gyu Park em colaboração com a Dra. Tiziana Bond desenvolveu um sensor que amplifica muito a sensibilidade de métodos espectroscópicos vibracionais comumente usados, mas tipicamente fracos, como espectroscopia Raman. Este tipo de sensor permite detectar moléculas presentes nas menores concentrações. p Cientistas da ETH Zurich e do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), na Califórnia, desenvolveram um sensor inovador para espectroscopia Raman de superfície aprimorada (SERS). Graças às suas propriedades de superfície únicas em nanoescala, o método pode ser usado para realizar análises mais confiáveis, sensível e econômica. Em experimentos com o novo sensor, os pesquisadores foram capazes de detectar uma certa espécie orgânica (1, 2bis (4-piridil) etileno, ou BPE) em uma concentração de algumas centenas de femtomoles por litro. Uma solução 100 femtomolar contém cerca de 60 milhões de moléculas por litro.

p Até agora, o limite de detecção de sistemas SERS comuns estava na faixa nanomolar, ou seja, um bilionésimo de uma toupeira. Os resultados de um estudo realizado por Hyung Gyu Park, Professor de Tecnologia de Energia na ETH Zurique, e Tiziana Bond, Líder de capacidade no LLNL, foram publicados esta semana como artigo de capa em revista científica Materiais avançados .

p A espectroscopia Raman tira vantagem do fato de que as moléculas iluminadas por luz de frequência fixa exibem espalhamento 'inelástico' intimamente relacionado aos modos vibracional e rotacional excitados nas moléculas. A luz espalhada de Raman difere da luz espalhada de Rayleigh comum porque tem frequências diferentes da luz irradiada e produz um padrão de frequência específico para cada substância examinada, possibilitando a utilização desta informação espectral como impressão digital para a detecção e identificação de substâncias específicas. Para analisar moléculas individuais, os sinais de frequência devem ser amplificados, o que requer que a molécula em questão esteja presente em alta concentração ou localizada próxima a uma superfície metálica que amplifique o sinal. Daí o nome do método:espectroscopia Raman de superfície aprimorada.

p Sinais amplificados para melhor reprodutibilidade

p "Esta tecnologia existe há décadas, "explica Ali Altun, aluna de doutorado do grupo liderado por Park no Instituto de Tecnologia de Energia. Com os sensores SERS de hoje, Contudo, a intensidade do sinal é adequada apenas em casos isolados e produz resultados com baixa reprodutibilidade. Altun, Bond e Park, portanto, estabeleceram o objetivo de desenvolver um sensor que amplifica maciçamente os sinais da luz espalhada por Raman.

p O substrato escolhido acabou sendo arranjado verticalmente, caespitose, nanotubos de carbono densamente compactados (CNT) que garantem essa alta densidade de 'pontos quentes'. O grupo desenvolveu técnicas para cultivar florestas densas de CNTs de maneira uniforme e controlada. A disponibilidade dessa experiência foi uma das principais motivações para o uso de nanotubos como base para sensores SERS altamente sensíveis, disse Park.

p Uma superfície parecida com espaguete

p As pontas dos CNTs são bem curvas, e os pesquisadores revestiram essas pontas com ouro e dióxido de háfnio, um material isolante dielétrico. O ponto de contato entre a superfície do sensor e a amostra, portanto, se assemelha a um prato de espaguete coberto com molho. Contudo, entre os fios de espaguete, existem numerosos orifícios dispostos aleatoriamente que deixam passar a luz espalhada, e os muitos pontos de contato - os 'pontos quentes' - amplificam os sinais.

p "Um método de fazer sensores SERS altamente sensíveis é aproveitar os pontos de contato dos nanofios de metal, "explica Park. A estrutura em nanoespaguete com pontas de CNT revestidas de metal é perfeita para maximizar a densidade desses pontos de contato.

p De fato, Bond explica, a ampla distribuição de nano-fendas metálicas na faixa nanométrica, bem conhecido por ser responsável por aprimoramento eletromagnético extremo (ou pontos quentes) e altamente procurado por muitos grupos de pesquisa, foi fácil e prontamente alcançado pela equipe, resultando nas melhorias intensas e reproduzíveis.

p O sensor difere de outros sensores SERS ultrassensíveis comparáveis ​​não apenas em termos de sua estrutura, mas também por causa de seu processo de produção relativamente barato e simples e a área de superfície muito grande das estruturas 3D que produzem um intenso, sinal uniforme.

p Um avanço em dois níveis

p Inicialmente, os pesquisadores apenas revestiram as pontas dos CNTs com ouro. Os primeiros experimentos com a molécula de teste BPE mostraram que eles estavam no caminho certo, mas que o limite de detecção não poderia ser reduzido ao grau que eles esperavam. Eventualmente, eles descobriram que os elétrons necessários na superfície da camada de ouro para gerar o que é conhecido como ressonância de plasmon estavam fluindo através dos nanotubos de carbono condutores. A tarefa era, então, descobrir como evitar esse vazamento de energia plasmônica.

p Os pesquisadores revestiram os CNTs com óxido de háfnio, um material isolante, antes de aplicar uma camada de ouro. "Este foi o grande avanço, "diz Altun. A camada de isolamento aumentou a sensibilidade do substrato do sensor por um fator de 100, 000 na unidade de concentração molar.

p "Para nós, cientistas, este foi um momento de triunfo, "concorda Park, "e nos mostrou que tínhamos feito a hipótese certa e um projeto racional."

p A chave para o desenvolvimento bem-sucedido do sensor foi, portanto, dupla:por um lado, foi sua decisão de continuar usando CNTs, cuja morfologia é essencial para maximizar o número de 'pontos quentes', e por outro lado, era o fato de que esses nanotubos eram de revestimento duplo.

p Park e Bond agora gostariam de dar um passo adiante e trazer seu novo princípio para o mercado, mas eles ainda estão procurando um parceiro no setor. Próximo, eles querem continuar melhorando a sensibilidade do sensor, e também procuram áreas potenciais de aplicação. Park prevê a instalação da tecnologia em dispositivos portáteis, por exemplo, para facilitar a análise local de impurezas químicas, como poluentes ambientais ou resíduos farmacêuticos na água. Ele enfatiza que a invenção de um novo dispositivo não é necessária; é simples instalar o sensor de forma adequada.

p Outras aplicações potenciais incluem investigações forenses ou aplicações militares para a detecção precoce de armas químicas ou biológicas, aplicativo biomédico para monitoramento de pontos de atendimento em tempo real dos níveis fisiológicos, e rápida triagem de drogas e toxinas na área de aplicação da lei.