​Sensores para la Detección y Control de Sustancias Específicas para Aplicaciones de Amplio Espectro: Seguridad, Bio-médicas, Agricultura, Control de Calidad, Calidad del Agua, etc.

El presente proyecto plantea desarrollar sustratos utilizando espectroscopia Raman aumentada (SERS) que sean versátiles en presentación—papel, impresión 3D, soportes sólidos de silicio, metálicos de Al, Au, Ag, AuAg, en presentación coloidal, etc., y optimizados por tipo de NPs utilizadas y hacia las moléculas a las que están enfocados, i.e., problemas por atacar en las áreas de salud, seguridad o agroalimentaria, que ayuden a simplificar la detección de moléculas problema, sus precursores y sus derivados, además de pesticidas propios en el uso de cultivos regionales, como el chile, lechuga, naranja, maíz, etc., de los que se sabe que los agricultores están interesados en monitorear por las repercusiones económicas que sufren al sobrepasar los niveles mínimos permitidos, por mencionar dos campos de alto interés de nivel regional y nacional por sus repercusiones sociales y económicas.

Brevemente desde la teoría, la dispersión Raman consiste en luz inelástica dispersada por sistemas moleculares, que tiene energía propia de la estructura e intensidad de dispersión proporcional a la densidad de las moléculas bajo estudio. Además, el hecho de que este fenómeno de dispersión Raman puede generarse directamente en muestras gaseosas, sólidas y líquidas, hace de la técnica de espectroscopia Raman una herramienta versátil y no destructiva para análisis químicos cualitativos y cuantitativos. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, la aplicación de la espectroscopia Raman en la detección de moléculas problema reales es limitada ya que la dispersión Raman normal es intrínsecamente débil y solo ocurre en uno de cada 10⁶–10⁸ fotones dispersados. La dispersión Raman mejorada en la superficie es un fenómeno asociado con una amplificación significativa de las señales Raman de los analitos ubicados cerca de la superficie de los materiales nanoestructurados que mejoran o aumentan la señal.

Este aumento en las señales Raman observadas mediante SERS ha sido atribuido principalmente a dos factores, el electromagnético y el químico, siendo el primero ampliamente reconocido como el factor dominante. Más específicamente en este punto, el aumento que proviene del factor electromagnético surge de la amplificación de la dispersión Raman mediada por los campos electromagnéticos localizados en la superficie del material nanoestructurado que consiste o contiene el sustrato (conocido este acoplamiento como resonancia de plasmón de superficie localizada, o LSPR). Esto se logra mediante una sinergia entre la molécula problema unida o cercana a una nanoestructura metálica y un acoplamiento constructivo entre frecuencia de la radiación laser externa y la oscilación de los electrones de superficie de las nanoestructuras. Por otro lado, el factor químico proviene de la transferencia de carga entre la molécula del analito y el sustrato potenciador lo que conduce a un cambio en la polarizabilidad de la molécula, resultando en la mejora de su dispersión Raman. La combinación de ambas vías de mejora nos proporcionan una señal SERS significativa y con sensibilidad aumentada que puede alcanzar moléculas individuales.

Es evidente de esta descripción teórica, que el elemento más importante de la técnica SERS es el sustrato y, en consecuencia, la historia de SERS ha sido en gran medida la del desarrollo de materiales potenciadores de señales, y durante los últimas dos décadas, con el uso particular de sustratos con sistemas nanoestructurados plasmónicos que proporcionan un aumento intenso en la respuesta electromagnética. En general, las propiedades plasmónicas inherentes de nanopartículas anisotrópicas con diversas formas o hábitos (nanoestrellas, nanorods, urchin-like, depositadas en oxido de grafeno, etc.) de Ag y Au, son las más eficientes, y son por lo tanto los nanomateriales más utilizados para SERS, pero son también los componentes de la técnica que resultan mas caros por ser típicamente de un solo uso.

Para terminar esta parte, mencionaré que los sistemas de espectroscopia Raman utilizan láseres con longitudes de onda en 520 nm, 630 nm, 785 nm y para muestras mas complicadas que presentan fluorescencia, se utiliza un láser en 1064 nm.