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(Foco Nanowerk) El campo de la espectroscopia Raman de superficie mejorada (SERS) ha mantenido durante mucho tiempo la promesa de detectar moléculas individuales, pero lograr este nivel de sensibilidad de una manera confiable y reproducible ha resultado ser un desafío.
SERS se basa en la espectacular amplificación electromagnética que se produce en regiones específicas conocidas como «puntos calientes» cerca de nanoestructuras metálicas. Sin embargo, un obstáculo importante fue el posicionamiento preciso de las moléculas dentro de estos puntos críticos y garantizar una alta densidad de puntos críticos intensos.
A lo largo de los años, los investigadores han explorado varias estrategias para superar estas limitaciones. Se han utilizado nanomateriales como agregados de nanopartículas, bordes afilados y nanoespacios diseñados para crear densas matrices de puntos calientes. Los nanoespacios diseñados racionalmente han demostrado una reproducibilidad mejorada, pero su fabricación a menudo requiere una infraestructura compleja y costosa. Se han utilizado enfoques de ingeniería de superficies para controlar la humectabilidad de la superficie para preconcentrar analitos y llevar los límites de detección al rango femtomolar. Sin embargo, seguía sin satisfacerse la necesidad de un sustrato SERS que combinara una alta densidad de puntos calientes, una fácil integración de analitos y una detección altamente sensible.
El laboratorio de nanosensores biofotónicos del Prof. Eden Morales-Narváez y su equipo han logrado un gran avance, que han desarrollado una red de plasmones 3D única incrustada en un material biohíbrido flexible. Este compuesto, llamado 3D-POWER (3D Plasmonic Web Enables Remote Surface Enhanced Raman Spectroscope), consta de capas autoensambladas de óxido de grafeno intercaladas con nanobarras de oro, todas incrustadas en una matriz de nanocelulosa bacteriana.
La investigación fue publicada en ciencia avanzada (“La red plasmónica 3D flexible permite la espectroscopia Raman mejorada en superficie remota”).
«La elección de los materiales es la clave para el rendimiento excepcional de 3D-POWER», dice Morales-Narváez a Nanowerk. “Las nanobarras de oro son conocidas por su fuerte mejora SERS, superando a sus homólogos esféricos. El óxido de grafeno, con su estructura aromática plana, ayuda a anclar moléculas orgánicas mediante interacciones de apilamiento π-π. También mejora el efecto SERS mediante la transferencia de carga con el analito. Finalmente.» La estructura de nanocelulosa bacteriana proporciona una estructura biocompatible que puede absorber moléculas de analito como una esponja».
Pero lo que realmente distingue a 3D-POWER, como señala, es su capacidad para actuar como una red plasmónica, no sólo concentrando la luz en puntos específicos sino también transmitiendo el campo plasmónico por todo el material.
Las simulaciones teóricas revelaron que 3D-POWER puede atrapar luz en un volumen pequeño y crear una red plasmónica de largo alcance. Esto permite un logro notable: la detección remota SERS, donde los analitos se pueden detectar incluso cuando no están directamente en el foco láser.
Los investigadores respaldaron esta afirmación con datos experimentales convincentes. Al depositar solo un puñado de moléculas de fluoresceína en 3D-POWER, pudieron detectar la señal SERS hasta a 700 µm del sitio de caída original. Sorprendentemente, el espectro SERS fue detectable en todo el sustrato de tamaño milimétrico con solo 10 moléculas depositadas.
La sensibilidad lograda por 3D-POWER es nada menos que extraordinaria. Para la fluoresceína, los investigadores determinaron un factor de amplificación analítico de hasta 8 × 10dieciséis. Al probar el pesticida glifosato, el límite de detección cayó al valor yoctolar (10).-24 M): tentadoramente cercano a la detección de una sola molécula y órdenes de magnitud mejores que los sustratos SERS tradicionales.
Comprender la sensibilidad yoctomolar puede resultar un desafío debido a la escala increíblemente pequeña que representa. Una concentración yoctomolar (yM) corresponde a una septillónésima (1/10).24) de un mol por litro, lo que corresponde a detectar sólo cientos de moléculas en un gran volumen de líquido. Para poner esto en una perspectiva más comprensible, imaginemos detectar una sola molécula en aproximadamente 1,66 millones de piscinas olímpicas (cada una con 2,5 millones de litros de agua). Este impresionante nivel de sensibilidad permitido por la tecnología 3D POWER permite la identificación de moléculas específicas con una precisión sin precedentes, incluso en muestras extremadamente diluidas.
Para demostrar sus beneficios prácticos, los investigadores probaron 3D-POWER utilizando muestras de alimentos y fluidos corporales. Simplemente frotando el sustrato flexible sobre la superficie de frutas y verduras, pudieron identificar rastros de residuos de pesticidas. El análisis SERS de muestras de sudor y sebo reveló la presencia de varios metabolitos, lo que sugiere aplicaciones en la monitorización no invasiva de biofluidos.
El desarrollo de 3D-POWER marca un avance significativo para la tecnología SERS. Su capacidad para permitir la detección remota y lograr sensibilidad yoctomolar en un formato flexible y biocompatible abre nuevas e interesantes posibilidades para el análisis químico altamente sensible y la detección de moléculas individuales.
«El concepto de tejido plasmónico en el corazón de 3D-POWER es una innovación clave», concluye Morales-Narváez. “La transmisión de la señal SERS a través de una red 3D extendida supera las limitaciones de los sustratos SERS tradicionales basados en superficie, que requieren un posicionamiento preciso de los analitos dentro de puntos de acceso a nanoescala. Esta capacidad de detección remota amplía las aplicaciones potenciales de SERS en áreas como el monitoreo ambiental, las pruebas de seguridad alimentaria y el diagnóstico biomédico.
Como ocurre con cualquier tecnología de vanguardia, se requiere más investigación para optimizar y comprender completamente las capacidades de 3D-POWER. El análisis cuantitativo sigue siendo un desafío debido al mecanismo de detección remota, y las estrategias para la detección de analitos específicos y la amplificación de señales dentro de la red 3D podrían mejorar aún más el rendimiento.
Sin embargo, la aparición de 3D-POWER representa un hito apasionante en el esfuerzo continuo por aprovechar todo el potencial de SERS de una sola molécula. A medida que avanza la investigación en esta área, podemos esperar nuevas innovaciones basadas en el concepto de redes plasmónicas extendidas. A medida que mejore el control sobre las interacciones luz-materia a nanoescala, SERS y las técnicas relacionadas desempeñarán un papel cada vez más importante en el análisis y la detección químicos en los próximos años.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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