Détection de polluants à l'état d'ultra-traces
Des spécialistes des matériaux mettent au point un substrat nanostructuré et réutilisable pour la détection ultrasensible d'analytes à faible concentration - Essaimage prévu
La diffusion (ou spectroscopie) Raman améliorée par les surfaces, connue sous le nom de SERS, est une méthode d'analyse avancée qui étend la gamme des applications Raman à l'analyse des traces, comme la détection d'un polluant dans l'eau ou dans d'autres liquides au niveau de la partie par million. Le SERS a un fort potentiel d'utilisation dans les domaines de la biochimie, de la criminalistique, de la sécurité alimentaire, de la détection des menaces et du diagnostic médical. Mais avant que la méthode puisse être appliquée au niveau industriel et clinique, il est encore nécessaire de disposer de substrats SERS peu coûteux et fiables qui permettent d'obtenir des signaux spectraux reproductibles. Les spécialistes en science des matériaux de l'université de Kiel ont porté l'approche SERS à un niveau avancé en développant un nouveau substrat doté de nanostructures plasmoniques et photocatalytiques. Ce substrat augmente la sensibilité et la résolution spatiale et temporelle et permet une analyse 50 fois plus puissante que la méthode SERS classique. Les chercheurs ont conçu ce nouveau substrat également réutilisable, ce qui en réduit considérablement le coût. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Small.
La lumière laser et l'effet Raman permettent d'analyser de petits échantillons de matériaux et de déterminer s'ils contiennent, par exemple, des traces de polluants. Le substrat joue ici un rôle décisif.
Cenk Aktas / Josiah Shondo
Le substrat joue un rôle crucial
La spectroscopie Raman - du nom du physicien et lauréat du prix Nobel Chandrasekhara Venkata Raman - est une méthode qui permet de déterminer la composition chimique des matériaux et donc de détecter les substances nocives. Pour ce faire, un échantillon de matériau est irradié par un laser. Le signal Raman réfléchi permet de tirer des conclusions sur les propriétés du matériau. "Le substrat joue le rôle le plus important dans la performance de cette technique analytique, car les interactions avec la lumière laser influencent le signal Raman", explique Josiah Ngenev Shondo. En tant que chercheur doctorant à la chaire des matériaux multicomposants, il travaille sur des matériaux permettant d'améliorer la détection et le nettoyage photocatalytique des polluants dans l'eau.
En combinant des matériaux aux propriétés différentes, les membres de la chaire sont parvenus à produire un nouveau substrat pour l'analyse SERS qui améliore le signal Raman d'un facteur 50 par rapport au SERS classique. "C'est plus que ce qui a été rapporté auparavant pour cette méthode", déclare le professeur Oral Cenk Aktas. Cela augmente considérablement la sensibilité et la résolution spatiale et temporelle de l'analyse des matériaux à l'état de traces. Par conséquent, même de très petites quantités de matériaux peuvent désormais être analysées en peu de temps. Avant et après l'analyse des matériaux, les chercheurs irradient le substrat avec de la lumière UV pour l'activer et le nettoyer, respectivement. "De cette manière, l'analyte est décomposé et le substrat, qui est assez coûteux, peut être réutilisé plusieurs fois. Nous avons montré que notre substrat peut être réutilisé au moins vingt fois sans perdre son activité Raman", poursuit M. Aktas.
Ce nouveau substrat porte l'approche SERS à un niveau avancé
Pour y parvenir, les chercheurs ont créé une nouvelle surface composée de structures nanocolonnes, d'un réseau de nanocouches, de phases d'oxyde mixte à l'échelle nanométrique et de structures nanométalliques ("4N-en-1"). Une telle surface améliore le signal Raman et offre une grande sensibilité de détection.
"Récemment, le PIERS (Photo Induced Enhanced Raman Spectroscopy), une nouvelle extension de la méthode SERS, a été proposé. Avec son nouveau substrat PIERS "4N-in-1", l'équipe de recherche contribue à cette nouvelle approche en combinant les concepts de plasmonique et de photocatalyse pour obtenir une haute résolution et une amélioration du signal dans l'analyse SERS. "Notre substrat réunit diverses propriétés supérieures sur le même substrat. Outre les nanostructures plasmoniques, il est composé d'une couche de dioxyde de titane extrêmement active", explique le Dr Salih Veziroglu. Ses recherches sur les matériaux du substrat ont été en partie financées par une subvention de KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science), un domaine de recherche prioritaire de l'université de Kiel.
Autres projets : Spin-off et combinaison avec des méthodes d'IA
"Ce substrat est le résultat de nombreuses années d'expérience et d'expertise dans notre chaire. Nous voulons maintenant transférer nos résultats de la recherche fondamentale vers une application", explique le professeur Franz Faupel, responsable de la chaire. Leur substrat peut facilement être combiné avec n'importe quel type de spectroscopie Raman, ce qui pourrait déboucher sur de nouvelles applications. Pour commercialiser leur méthode avancée de spectroscopie Raman, ils recherchent d'autres groupes de recherche et entreprises dans le domaine des technologies de laboratoire et d'analyse. Ils prévoient également de combiner leur méthode avec l'intelligence artificielle (IA) afin de créer une base de données complète pour l'analyse des matériaux. Cela pourrait permettre une détection plus rapide et plus précise des molécules individuelles.
Une idée d'application concrète a déjà été étudiée par Shondo
dans sa thèse de doctorat, qui est sur le point d'être achevée. En 2018, ce spécialiste des matériaux est venu à l'université de Kiel grâce à une bourse de l'Office allemand d'échanges universitaires (DAAD) pour faire quelque chose contre la pollution de l'environnement dans son pays d'origine, le Nigéria. L'extraction des importants gisements de pétrole du pays contamine les sols, les rivières et même l'eau potable. Le nouveau substrat mis au point par Shondo et ses collègues pourrait être utilisé avec des appareils portables de spectroscopie Raman au Nigeria : "Étant donné que même de petites quantités de pétrole peuvent être détectées et même éliminées, cette méthode pourrait être utilisée à un stade précoce et permettre d'éviter des dommages environnementaux plus graves."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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