Sladrehanke i nanostørrelse

Sprængstoffer, narkotika og giftige stoffer i fødevarer er blot tre eksempler, hvor fundet af få molekyler af et stof kan være nok til at få alarmklokkerne til at lyde. Det er baggrunden for, at den unge virksomhed Silmeco, som bygger på en DTU-opfindelse, oplever stor interesse for sin nanoteknologiske sladrehank, SERStrate. Vel at mærke er prisen for produktet meget langt under det, man ville skulle betale for at afsløre stofferne ved hjælp af traditionelt forskningsudstyr.

”Vi får nye ordrer hver uge. Foreløbig har vi eksporteret til 20 lande. De fleste kunder er i USA, men også i Kina, Storbritannien, Irland og Tyskland har vi en del kunder,” oplyser Silmecos direktør, Per Elsted Hansen.

Med et skævt smil tilføjer han, at produktet endnu mangler at finde vej til den første danske kunde. Men det kan muligvis ændre sig nu, hvor den blot et år gamle virksomhed har vundet fagbladet Ingeniørens iværksætterpris 2014.

”Under alle omstændigheder er vi glade for den anerkendelse, der ligger i, at et fagmedie kan se værdien af vores produkt,” siger Per Elsted Hansen.

Fotoner som sladrehanke

Virksomhedens navn, Silmeco, er en sammentrækning af Silicon Metal Coating. Nærmere bestemt består produktet SERStrate af en nanostruktur i silicium, som er belagt med et lag guld eller sølv.

Produktet udnytter den såkaldte raman-effekt. Når man sender laserlys ind i en prøve, vil nogle af lyspartiklerne – fotonerne – blive reflekteret. Langt hovedparten af disse fotoner vil have den samme frekvens og bølgelængde som før, men den indiske fysiker C.V. Raman påviste i 1928, at en lille andel af fotonerne vekselvirker med atomerne i prøven på en sådan måde, at de ændrer frekvens og bølgelængde. Ændringen sladrer om, hvilke atomer prøven indeholder, og hvordan de er kemisk bundet til andre atomer.

I mange år har raman-spektroskopi været anvendt i forskningslaboratorier, men anvendelsen har været begrænset af, at den kræver særdeles nøjagtigt og kostbart udstyr. Det skyldes især, at typisk kun en enkelt ud af hver 10 millioner fotoner bliver omfattet af raman-effekten under normale omstændigheder. I 1974 påviste forskere fra britiske University of Southampton imidlertid, at det er muligt at øge antallet af raman-begivenheder markant ved at anbringe prøven på en sølvoverflade, som er elektrokemisk bearbejdet, så den er ru.

Denne effekt, som fik navnet SERS (Surface Enhanced Raman Scattering), betød en langt bredere anvendelse af raman-spektroskopi end tidligere. Men stadig var det nødvendigt med kostbart udstyr, og det var kompliceret at fremstille de nanostrukturerede overflader, der kunne forstærke raman-effekten. Lige indtil nu, hvor den unge danske virksomhed er kommet ind på scenen.

I glasrørene ligger Silmecos små nano-sladrehanke, som sælges til kunder over hele verden. De bruges, når man vil undersøge, hvilke molekyler der indgår i en prøve. Og de kan afsløre selv ganske små mængder af et stof.

Foto Jesper Scheel

Smart proces sænker omkostningerne

Det nye produkt SERStrate udnytter netop SERS – deraf de tre første bogstaver i navnet – mens ’strate’ henviser til, at der er tale om et substrat.

SERStrate forstærker den velkendte SERS-effekt yderligere i dramatisk grad ved at lade overfladen være udformet som et stort antal nanosøjler i silicium beklædt med guld eller sølv. Søjlernes form og størrelse er valgt sådan, at når en dråbe fra en prøve, som man gerne vil undersøge, dryppes på overfladen, vil væsken få søjlerne til at bøje sig ind mod hinanden. Derved danner søjlerne elektromagnetiske ’hot spots’, hvor raman-effekten forstærkes ekstremt. Det gør det muligt at detektere molekyler, som befinder sig i disse områder. Resultatet er, at SERStrate giver et raman-signal, der er 600 gange kraftigere end de hidtil bedste kommercielt tilgængelige SERS-substrater.

Samtidig er produktet langt billigere end andre SERS-substrater takket være en smart proces opfundet af professor Anja Boisen, forsker Michael Stenbæk Schmidt, DTU Nanotech og direktør Jörg Hübner, DTU Danchip. Mens andre SERS-substrater fremstilles gennem mange trin, hvor overfladen bearbejdes ved hjælp af foto-litografi eller tilsvarende teknikker, benytter de danske nanoforskere sig af en totrinsproces baseret på såkaldt Reactive Ion Etching. Det vil sige, at et plasma, som er en ioniseret gas, der indeholder reaktive ioner, bruges til at formgive siliciumoverfladen. De reaktive ioner reagerer med siliciumatomer i overfladen. Processen skaber siliciumsøjlerne i overfladen.

Silicium har samtidig en stor praktisk fordel. Det er en velkendt fejlkilde i SERS, at der forekommer ramansignaler, som ikke stammer fra prøven, men fra substratet. Netop silicium har et karakteristisk spektrum, som er let at skelne fra de stoffer, man typisk vil interessere sig for. Det samme er ikke altid tilfældet med de øvrige kommercielle substrater.

Fortsat samarbejde med forskere

Metoden er patenteret af DTU, og en licensaftale giver Silmeco ret til at udnytte patentet. Anja Boisen og Michael Stenbæk Schmidt er i øvrigt medstiftere af virksomheden sammen med en tredje DTU-forsker, Tomas Rindzevicius, og Per Elsted Hansen, der selv har en baggrund fra Copenhagen Business School, CBS.

I SERStrate er de enkelte siliciumsøjler typisk 50-80 nanometer brede, mens højden er 600-1.600 nanometer. Afhængigt af hvilket stof man ønsker at lede efter, kan der være forskel på, hvordan produktet præcis skal være udformet. Det skyldes blandt andet, at de optiske egenskaber, som søjlerne får, når de læner sig mod hinanden, kan optimeres til det molekyle, man interesserer sig for. I nogle tilfælde vil det også være nødvendigt at præparere prøven kemisk for at sikre, at prøven adsorberer til substratet.

”Det sker, at kunder spørger os, om vi kan hjælpe dem med det videre udviklingsarbejde,” siger Per Elsted Hansen.

”I den slags tilfælde kan vi nogle gange henvise til DTU’s kemikere. På den måde vil der stadig være en betydelig grad af samarbejde med forskningen på DTU."

På længere sigt vil det også være interessant at udvikle videre på selve grundproduktet.

”Men nu og her ligger vores fokus på simpelthen at sælge. Når man kommer med et nyt produkt, skal man jo altid lægge nogle kræfter i at opdyrke markedet. Det første års tid forventer jeg ikke, at vi skal udvikle videre på selve produktet,” siger Per Elsted Hansen.

Sprængstoffer og fødevarer

Salgsarbejdet sker langt overvejende gennem Silmecos hjemmeside. Faktisk har den unge virksomhed endnu ikke noget domicil. Produktionen sker ved at leje sig ind hos DTU Danchip, mens direktøren indtil videre klarer salgsarbejdet fra privaten.

”På et tidspunkt skal vi måske have et kontor, men det haster ikke, og vi har heller ikke behov for et showroom, hvor vi kan vise vores produkter frem.”

Nej, for selv den mest skarpsynede kunde har ingen chance for med egne øjne at betragte de fine strukturer, som gør SERStrate unik.

Produktet egner sig til analyse af både våde og gasformige prøver, men ikke faste prøver. I princippet er der ingen grænser for, hvilke molekyler man kan lede efter.

”Af praktiske årsager vil vi koncentrere os om at markedsføre produktet i forbindelse med nogle bestemte grupper af analyser, hvor vi kan se, at der er et stort behov. Vi er jo en lille virksomhed, så vi kan ikke gå efter alt. Fødevaresikkerhed er et af de områder, vi interesserer os meget for,” siger Per Elsted Hansen og henviser til, at der bl.a. i Kina har været eksempler på, at det giftige stof melamin er forekommet i mælkepulver.

Andre eksempler er sporing af sprængstoffer og narkotika. I begge tilfælde gælder, at selvom der er tale om faste stoffer, afgives der typisk en smule af stofferne til den omgivende luft. Mængderne er ganske små, men rigeligt store til, at de kan opdages med nano-sladrehanken.