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Wenn Sie jemals mit einem Raman-Spektroskopiker über die Machbarkeit einer Sensoranwendung für niedrige Konzentrationen gesprochen haben, haben Sie ihn wahrscheinlich sagen hören: „Nun, Raman ist möglicherweise nicht empfindlich genug … aber vielleicht funktioniert SERS!” Aber was ist der eigentliche Unterschied zwischen diesen beiden Techniken und warum wird SERS (oberflächenverstärkte Raman-Streuung oder alternativ oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie) für Anwendungen mit niedrigen Konzentrationen empfohlen? Lassen Sie uns die technischen Unterschiede zwischen Raman- und SERS-Spektroskopien sowie einige praktische Überlegungen zur Betrachtung der jeweiligen Daten untersuchen.
Bei der normalen Raman-Spektroskopie wird eine Laserquelle direkt auf eine Probe gerichtet (Abbildung 1a). Das Laserlicht wird an den Bindungen des Analyten gestreut und das unelastisch gestreute Licht wird gesammelt und zu einem Raman-Spektrum verarbeitet. Die zerstörungsfreie Natur der Technik, die Selektivität der Raman-Bänder und die Unempfindlichkeit gegenüber Wasser machen Raman zu einem nützlichen Analysewerkzeug sowohl für qualitative als auch quantitative Studien von organischen und anorganischen Systemen.
Allerdings wurde die Raman-Spektroskopie jahrzehntelang in der Praxis kaum genutzt. Dies ist auf zwei wesentliche Einschränkungen zurückzuführen: 1) die inhärente Unempfindlichkeit von Raman, da nur ~1 in 106 einfallende Photonen werden Raman-gestreut; und 2) Fluoreszenzemissionsinterferenz, die von der Art des Analytmoleküls und der verwendeten Anregungswellenlänge abhängt. Fluoreszenz ist ein konkurrierendes Phänomen, das viel effizienter ist als die Raman-Streuung und daher das Raman-Signal völlig übertönen kann.
Obwohl sie von der Streustärke des Analytmoleküls und der betreffenden Probenmatrix abhängen, können die typischen Nachweisgrenzen für die normale Raman-Streuung bei einer Konzentration von etwa 1–10 % liegen. Bei bestimmten Anwendungen, wie etwa der Krankheitserkennung oder der Identifizierung von Betäubungsmitteln, kann dieser Grenzwert um mehrere Größenordnungen höher sein als erforderlich! In diesem Fall könnte ein Anwendungswissenschaftler eine SERS-Messung empfehlen. Die erforderliche Hardware wäre die gleiche wie für eine normale Raman-Messung, für die SERS-Analyse ist jedoch eine andere Probenentnahme erforderlich. Um den Unterschied zu verstehen, besprechen wir ein wenig den SERS-Effekt.
In den 1970er Jahren stellten mehrere Forschungsgruppen fest, dass das Raman-Signal von organischen Molekülen wie Pyridin stark verstärkt wurde, wenn es an einem aufgerauten Metallsubstrat adsorbiert wurde (Abbildung 1b) [1–3]. Obwohl es mehrere Theorien zur Erklärung dieser Beobachtung gab, wird heute allgemein angenommen, dass der Verstärkungsmechanismus zweifach ist: Der elektromagnetische Verstärkungsmechanismus ist für den Hauptbeitrag verantwortlich, während ein chemischer Mechanismus für einen kleineren Teil der Verstärkung verantwortlich ist.
Der Mechanismus der elektromagnetischen Verstärkung wird durch die Verwendung eines aufgerauten nanometallischen Substrats aus einem Edelmetall (normalerweise Silber oder Gold) und das Vorhandensein lokalisierter Oberflächenplasmonen ermöglicht, bei denen es sich um quantisierte Schwingungen der Valenzelektronen des gewählten Metalls handelt. Wenn der Laser den Komplex aus Probe und Nanosubstrat anregt, treibt er die lokalisierten Oberflächenplasmonen in Resonanz oder regt die „LSPR“ an (Abbildung 2).
Unter diesen Bedingungen werden sowohl die Laseranregungsstrahlung als auch die Streustrahlung von der Probe verstärkt. Die Pfeile in Abbildung 1b sind fett gedruckt, um diese Größenzunahme anzuzeigen.
Dieser Mechanismus kann theoretisch eine Signalverstärkung um Faktoren bis zu 1011 [4]. Der chemische Mechanismus beinhaltet Ladungstransfers in Resonanz mit der Anregungswellenlänge des Lasers und führt typischerweise zu einem theoretischen Verstärkungsfaktor von bis zu 104 [5]. Durch diese Ladungsübertragungen kann auch störende Fluoreszenz gelöscht werden. Mit den kombinierten Verstärkungsmechanismen sind wir in der Lage, sowohl die inhärente Unempfindlichkeit als auch die Fluoreszenzinterferenz zu überwinden, die die normale Raman-Streuung begrenzt. Tatsächlich gibt es Studien, die gezeigt haben, dass SERS in der Lage ist, einzelne Moleküle zu erkennen [6,7]!
Die Herstellung dieser Nanostrukturen ist in den letzten zwei Jahrzehnten zu einem immer wichtigeren Bereich der akademischen Forschung geworden. SERS-Substrate können kolloidale Suspensionen, feste Nanokügelchen und mit Metall beschichtete Siliziumchips umfassen. Die Verstärkung ist in der Regel dann am stärksten ausgeprägt, wenn sich das Analytmolekül an einer Verbindungsstelle von Nanostrukturen befindet (auch als SERS-„Hotspot“ bezeichnet). So können Forscher die Formen und die plasmonische Aktivität dieser Substrate individuell anpassen, um für ihre Forschungszwecke noch höhere Verstärkungsgrade zu erreichen.
Metrohm bietet kommerzielle SERS-Substrate an, die für den Einsatz in realen Anwendungen käuflich erworben werden können. Diese Substrate sind benutzerfreundlich, flexibel und kostengünstig. Es sind sowohl papierbasierte SERS-Substrate als auch kolloidale Nanopartikellösungen verfügbar. Es wird außerdem ein SERS-Einführungskit mit beiden Materialarten angeboten.
Nach Rücksprache mit einem Anwendungswissenschaftler können Benutzer feststellen, dass ein im Handel erhältliches SERS-Substrat für ihre Anwendung geeignet ist. In anderen Fällen ist jedoch möglicherweise eine höhere Empfindlichkeit erforderlich, um die Nachweisgrenzen für die Anwendung einzuhalten. In diesem Fall könnten lokale Universitätslabore, die an der Nanofabrikation arbeiten, bei Messungen zusammenarbeiten.
Wir erhalten häufig Fragen wie: „Können wir unsere vorhandene Raman-Referenzbibliothek zur Analyse unseres SERS-Spektrums verwenden?“ Abbildung 3 zeigt den Unterschied zwischen einem normalen Raman-Spektrum von Fentanyl HCl und ein SERS-Spektrum einer gesättigten Lösung von Fentanyl-HCl auf einem handelsüblichen SERS-Substrat.
Das normale Raman-Spektrum für Fentanyl enthält deutlich mehr Peaks als das entsprechende SERS-Spektrum. Außerdem sind die SERS-Bänder deutlich breiter als die normalen Raman-Bänder. Bei den SERS-Spektren werden nicht nur die Schwingungsmodi des Moleküls untersucht, sondern auch die Probe, wie sie am Substrat adsorbiert ist. Daher können wir in einem SERS-Spektrum auch einige Spitzen beobachten, die ausschließlich dem Substrat zugeschrieben werden können.
Aufgrund der Unterschiede zwischen einem SERS-Spektrum und einem normalen Raman-Spektrum kann es in manchen Fällen schwierig sein, kommerzielle Raman-Bibliotheken zur Analyse von SERS-Spektren zu verwenden. Wir empfehlen Benutzern, die eine SERS-Identifizierung benötigen, unter Verwendung ihrer Substrate eigene SERS-Spektraldatenbanken zu erstellen. Einige unserer tragbaren TacticID-Raman-Produkte verfügen außerdem über SERS-spezifische Narkotikabibliotheken. Für komplexere Datenanalysen kann auch auf eine umfangreiche SERS-Literaturbasis zurückgegriffen werden.
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Bei Sensoranwendungen mit niedriger Konzentration oder in Fällen, in denen die Fluoreszenz Ihr Raman-Signal überwältigt, ist SERS eine unschätzbar wertvolle Technik für Forscher und Problemlöser in der Praxis gleichermaßen. Weitere Informationen finden Sie auf unserer Website.
Ihre Wissens-Take-aways
Verweise
[1] DL Jeanmaire und RP Van Duyne, J. Elektroanalytik, Chemie. 84, 1–20 (1977).
[2] M.Fleischmann, Abonnieren, Und AJ McQuillan, Chem. Physikalische Chemie Lette. 26, 163-166 (1974).
[3] MG Albrecht und JA Creighton, J. Am. Chem. Soc. 99 , 5215-5217 (1977).
[4] JP Camden , J. A. Dieringer, J. Wang, DJ Masiello, LD Markierungen, GC Schatz, Und RP Van Duyne, J. Am. Chem. Soc. 130 , 12616–12617 (2008).
[5] R. Piloten, R. Signorini und L Fabris, „Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie: Prinzipien, Substrate und Anwendungen“. In: Deepak FL, Herausgeber. Metallnanopartikel und -cluster: Fortschritte in Synthese, Eigenschaften und Anwendungen . Springer; Cham, Schweiz: 2018. S. 89–164.
[6] JA Dieringer, RB Lettan, KA Scheidt und RP Van Duyne, J. Am. Chem. Soc.129, 16249–16256 (2007).
[7] K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, LT Perelman, I. Itzkan, RR Dasari und MS Feld, Physikalische Chemie Rev. Lette. 78, 1667-1670 (1997).