Sensores de moléculas para detectar obras falsificadas

De la seguridad del aeropuerto y la detección de explosivos, a la autenticación de pinturas por historiadores del arte, la sed de la sociedad por sensores de gran alcance es cada vez mayor.

Pocas técnicas de detección pueden igualar la expectación generada por la Espectroscopia Raman Potenciada de Superficie (SERS, por sus siglas en inglés), informa la Universidad de Buffalo (Nueva York, EE.UU.).

Descubierta en la década de 1970, SERS es una técnica de detección muy apreciada por su capacidad para identificar moléculas químicas y biológicas en una amplia gama de campos. Se ha comercializado, pero no mucho, porque los materiales necesarios para realizar la detección se consumen durante el uso, y son relativamente caros y complicados de fabricar.

Ahora, un equipo internacional de investigadores dirigido por ingenieros de la Universidad de Buffalo ha desarrollado nanotecnología que promete hacer SERS más simple y más asequible.

Descrito en un artículo de investigación publicado en la revista Advanced Materials Interfaces, el avance, en el campo de la fotónica, tiene como objetivo mejorar nuestra capacidad para detectar trazas de moléculas de enfermedades, agentes de guerra química, obras de arte fraudulentas, contaminantes ambientales y más.

"La tecnología que estamos desarrollando -un sustrato universal para SERS- es única y, potencialmente, revolucionaria. Nos permite identificar rápidamente y medir moléculas químicas y biológicas utilizando una nanoestructura de banda ancha que captura una amplia gama de la luz", dice Qiaoqiang Gan, profesor de ingeniería eléctrica y autor principal del estudio.

Láser

Cuando un láser de gran alcance interactúa con moléculas químicas y biológicas, el proceso puede excitar modos de vibración de estas moléculas y producir dispersión inelástica, también llamada dispersión Raman, de la luz.

A medida que el rayo impacta con estas moléculas, puede producir fotones que tienen una frecuencia diferente de la luz láser. Aunque rica en detalles, la señal de dispersión es débil y difícil de leer sin un láser muy potente. SERS aborda el problema mediante la utilización de un sustrato nanoestructurado que mejora significativamente el campo de luz en la superficie y, por lo tanto, la intensidad de la dispersión Raman.

Desafortunadamente, los sustratos tradicionales están diseñados típicamente solamente para una gama muy estrecha de longitudes de onda. Esto es problemático porque se necesitan diferentes sustratos si los científicos quieren usar un láser diferente para probar las mismas moléculas. A su vez, esto requiere más moléculas químicas y sustratos, aumento de los costes y del tiempo para realizar la prueba.

Sustrato universal

El sustrato universal resuelve el problema, ya que puede capturar un amplio rango de longitudes de onda y meterlas en huecos muy pequeños para crear un campo de luz muy potenciado.

La tecnología consiste en una película delgada de plata o de aluminio que actúa como un espejo, y una capa dieléctrica de sílice o alúmina. El dieléctrico separa el espejo con nanopartículas metálicas pequeñas espaciadas al azar en la parte superior del sustrato.

"Actúa de forma similar a una llave maestra. En lugar de necesitar diferentes sustratos para medir señales Raman excitadas por diferentes longitudes de onda, sólo se necesita uno. Al igual que una llave maestra que abre muchas puertas", explica Nan Zhang, del departamento de Ingeniería Eléctrica.

Aplicaciones

"Las aplicaciones de un dispositivo de este tipo son de largo alcance", añade Kai Liu, también de Ingeniería Eléctrica. "La capacidad de detectar incluso cantidades pequeñas de moléculas químicas y biológicas podría ser útil con biosensores que se utilizan para detectar enfermedades."

Podría usarse también para identificar de productos químicos usados ​​en ciertos tipos de pintura. Esto podría ser útil para detectar piezas de arte falsificadas, así como para restaurar piezas de arte envejecidas.

Además, la tecnología podría mejorar la capacidad de los científicos para detectar pequeñas cantidades de toxinas en el aire, el agua o en otros espacios, que causan problemas de salud. Y podría ayudar en la detección de armas químicas.

La Fundación Nacional para la Ciencia apoya la investigación con una subvención para desarrollar un sistema biosensor in vivo y en tiempo real. Gan comparte la subvención con Josep Miquel Jornet y Zhi Sun, ambos profesores de ingeniería eléctrica en la Universidad de Buffalo.

Gan es miembro del grupo de investigación de óptica de ingeniería eléctrica y de fotónica de la universidad. El grupo lleva a cabo investigación en nanofotónica, biofotónica, materiales y dispositivos híbridos orgánicos / inorgánicos, metamateriales, nanoplasmónica, optofluidos, sistemas microelectromecánicos, sistemas biomédicos microelectromecánicos, biosensores y procesamiento de información cuántica.

Referencia bibliográfica:

Nan Zhang et al.: Ultrabroadband Metasurface for Efficient Light Trapping and Localization: A Universal Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Substrate for “All” Excitation Wavelengths. Advanced Materials Interfaces (2015). DOI: 10.1002/admi.201500142