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Vibrational spectrocopy for detection of chemical and biological threats and other important targets adsorbed on Au and Ag nanoparticles
Félix Massa, Tamara Y. Félix Massa, Tamara Y.
Félix Massa, Tamara Y.
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Abstract
Detection of Chemical and Biological Threats (CBT), particularly in defense and security applications, plays a crucial role when the safety and security of first responders, government personnel, and civilians are at risk. Spectroscopy provides a powerful tool for rapidly and accurately identifying, detecting, and quantifying techniques of CBTs. Raman Scattering (RS) and Mid-Infrared (MIR) spectroscopies have received special attention as powerful vibrational spectroscopy techniques. For RS, one of its applications that has experienced a significant upturn in recent decades is SERS, which has the added advantage of detecting carbon-based trace compounds (including CBTs) at trace levels. On the other hand, SEIRA is an MIR application that enhances the detection of CBTs at the trace level. Gold or silver nanomaterials are excellent sources for SERS and SEIRA materials due to their ease of preparation and high sensitivity. In this research, we report a simple, fast, and reproducible method for preparing SERS and SEIRA active substrates for detecting and quantifications CBTs at the trace level. For detection and quantification, Raman and Mid-Infrared Laser Spectroscopy (MIRLS) using a Quantum Cascade Laser (QCL) operating at a grazing angle of incidence were employed. For CBTs, sensor preparation, synthesis, and characterization of gold nanorods were achieved. We used stainless-steel substrates coated with gold nanorods (AuNRs) as a deposition method using a chemical printer. The sensor can detect TATP, HMX, PETN, L-Tryp, L-His, Staphylococcus aureus (Sa), Staphylococcus epidermis (Se), Micrococcus luteus (Ml), and Escherichia coli (Ec) at trace level (~ 10 ppb).
La detección de amenazas químicas y biológicas (CBT), especialmente en aplicaciones de defensa y seguridad, desempeña un papel crucial cuando la seguridad y la protección de los equipos de primera intervención, el personal gubernamental y la población civil están en riesgo. La espectroscopia nos proporciona una herramienta poderosa para identificar, detectar y cuantificar de forma rápida y precisa las CBT. Las técnicas espectroscopias de dispersión Raman (RS) y de infrarrojo medio (MIR) han recibido una atención especial como potentes técnicas de espectroscopia vibracional. En cuanto a RS, una de sus aplicaciones que ha experimentado un importante auge en las últimas décadas es la SERS, que tiene la ventaja de detectar compuestos a niveles traza. Por otro lado, la SEIRA es una aplicación MIR que mejora la detección de CBT en niveles traza. Los nanomateriales de oro o plata son excelentes fuentes de materiales SERS y SEIRA debido a su facilidad de preparación y alta sensibilidad. En esta investigación presentamos un método sencillo, rápido y reproducible para preparar sustratos activos SERS y SEIRA para la detección y cuantificación de CBT a niveles traza. Para la detección y cuantificación, se emplearon Espectroscopia Raman y espectroscopia láser de infrarrojo medio (MIRLS) utilizando un láser de cascada cuántica (QCL) que funciona en un ángulo de incidencia rasante. Para los CBT, se logró la preparación de un sensor, la síntesis y la caracterización de nanobarras de oro. Utilizamos sustratos de acero inoxidable recubiertos con nanobarras de oro (AuNR) como método de deposición utilizando una impresora química. El sensor puede detectar TATP, HMX, PETN, L-Tryp, L-His, Staphylococcus aureus (Sa), Staphylococcus epidermis (Se), Micrococcus luteus (Ml) y Escherichia coli (Ec) a niveles traza (~ 10 ppb).
La detección de amenazas químicas y biológicas (CBT), especialmente en aplicaciones de defensa y seguridad, desempeña un papel crucial cuando la seguridad y la protección de los equipos de primera intervención, el personal gubernamental y la población civil están en riesgo. La espectroscopia nos proporciona una herramienta poderosa para identificar, detectar y cuantificar de forma rápida y precisa las CBT. Las técnicas espectroscopias de dispersión Raman (RS) y de infrarrojo medio (MIR) han recibido una atención especial como potentes técnicas de espectroscopia vibracional. En cuanto a RS, una de sus aplicaciones que ha experimentado un importante auge en las últimas décadas es la SERS, que tiene la ventaja de detectar compuestos a niveles traza. Por otro lado, la SEIRA es una aplicación MIR que mejora la detección de CBT en niveles traza. Los nanomateriales de oro o plata son excelentes fuentes de materiales SERS y SEIRA debido a su facilidad de preparación y alta sensibilidad. En esta investigación presentamos un método sencillo, rápido y reproducible para preparar sustratos activos SERS y SEIRA para la detección y cuantificación de CBT a niveles traza. Para la detección y cuantificación, se emplearon Espectroscopia Raman y espectroscopia láser de infrarrojo medio (MIRLS) utilizando un láser de cascada cuántica (QCL) que funciona en un ángulo de incidencia rasante. Para los CBT, se logró la preparación de un sensor, la síntesis y la caracterización de nanobarras de oro. Utilizamos sustratos de acero inoxidable recubiertos con nanobarras de oro (AuNR) como método de deposición utilizando una impresora química. El sensor puede detectar TATP, HMX, PETN, L-Tryp, L-His, Staphylococcus aureus (Sa), Staphylococcus epidermis (Se), Micrococcus luteus (Ml) y Escherichia coli (Ec) a niveles traza (~ 10 ppb).
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Date
2026-05-16
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Keywords
Gold Nanorods, Detection, Chemical Threats, Biological Threats, Vibrational Spectroscopy, Raman Spectrocopy, Quantum Cascade Laser
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