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Dye your carbon nantubes for better resolution

A team at the Université de Montréal has developed a technique for making nanoscale objects more easily seen. From a Dec. 2, 2013 news item on Nanowerk (Note: A link has been removed),

Richard Martel and his research team at the Department of Chemistry of the Université de Montréal have discovered a method to improve detection of the infinitely small. Their discovery is presented in the November 24 online edition of the journal Nature Photonics (“Giant Raman scattering from J-aggregated dyes inside carbon nanotubes for multispectral imaging”).

“Raman scattering provides information on the ways molecules vibrate, which is equivalent to taking their fingerprint. It’s a bit like a bar code,” said the internationally renowned professor. “Raman signals are specific for each molecule and thus useful in identifying these molecules.”

The discovery by Martel’s team is that Raman scattering of dye-nanotube particles is so large that a single particle of this type can be located and identified. All one needs is an optical scanner capable of detecting this particle, much like a fingerprint.

I haven’t been able to track down the English language version of the Dec. 2, 2013 Université de Montréal news release but here are some excerpts from the French language version by Dominique Nancy,

Grâce à l’alignement de molécules de colorants encapsulées dans un nanotube de carbone, les chercheurs ont réussi à amplifier le signal Raman jusqu’ici pas assez puissant de ces colorants pour permettre leur détection. L’article présente les données expérimentales d’une diffusion extraordinaire de lumière visible sur une particule de taille nanométrique.

«La diffusion Raman contient de l’information sur les modes de vibration des molécules, ce qui équivaut à relever leurs empreintes digitales. C’est un peu comme un code à barres, explique le professeur de renommée internationale. Le signal Raman est propre à chaque molécule et donc très utile pour la repérer.»

Le mode de diffusion Raman est un phénomène optique mis au jour en 1928 par le physicien Chandrashekhara Venkata Râman. L’effet consiste en la diffusion inélastique d’un photon, c’est-à-dire le phénomène physique par lequel un milieu peut modifier la fréquence de la lumière qui y circule. ….

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Mais jusqu’à ce jour, le signal Raman des molécules était trop faible pour répondre efficacement aux besoins en imagerie optique. Les chercheurs avaient donc recours à d’autres techniques optiques plus sensibles mais moins précises, car elles ne possèdent pas de «code à barres». «Il est toutefois possible techniquement de voir les signaux Raman avec un spectromètre lorsque la concentration des molécules est assez élevée, indique M. Martel. Mais cela limite les applications du Raman.»

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Composé d’une centaine de molécules colorées et alignées dans le cylindre, le nanotraceur est 50 000 fois plus petit qu’un cheveu. Il mesure environ un nanomètre de diamètre et 500 de long. Et pourtant les particules colorées encapsulées dans le nanotube de carbone donnent un signal Raman un million de fois plus intense que celui des autres molécules autour de l’objet.

On peut aussi imaginer un douanier qui scannerait notre passeport avec un mode Raman multispectral (aux signaux multiples). Ces nanotraceurs pourraient également être utilisés dans les encres des billets de banque, rendant la contrefaçon presque impossible.

La beauté de la chose, affirme Richard Martel, c’est que le phénomène est général et plusieurs types de colorants peuvent servir à la fabrication des nanotraceurs, dont les «codes à barres» sont tous différents. «On a fabriqué jusqu’ici plus de 10 traceurs et il semble qu’il n’y a pas de limite, dit-il. On pourrait donc en principe créer autant de nanotraceurs qu’il y a de bactéries et utiliser ce principe pour les déceler avec un microscope fonctionnant en mode Raman.»

As I have noted many times here, my linguistic skills are shaky but here’s my overview:

Due to the colouring agent researchers have added to the carbon nanotubes in the experiement, it is possible to amplify the Ramen signal allowing for an extraordinary resolution making nanoscale objects optically visible.

With the dyed carbon nanotubes, the new technique offers the equivalent of a unique digital fingerprint or, Martel also describes it, as a unique bar code for nanoscale objects. Standard Raman technique can be used to detect nanoscale objects when there’s a high concentration but is not not powerful enough to optically detect nanoscale objects in lower concentrations or with any precision, i.e., the ability to detect a unique ‘fingerprint’ or ‘bar code’.

The nanotracer, the dyed carbon nanotube, is 1/50,000 the diameter of a human hair and can measure object of approximately 500 nm in diameter.

Martel sees a number of applications for this new technique include biomedical applications.

You may want to take a look at the news item on Nanowerk for a better and more complete translation.

Here’s a link to and a citation for the English language paper,

Giant Raman scattering from J-aggregated dyes inside carbon nanotubes for multispectral imaging by E. Gaufrès, N. Y.-Wa Tang, F. Lapointe, J. Cabana, M.-A. Nadon, N. Cottenye, F. Raymond, T. Szkopek, & R. Martel. Nature Photonics (2013) doi:10.1038/nphoton.2013.309 Published online 24 November 2013

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