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Se hai mai avuto una conversazione con uno spettroscopista Raman sulla fattibilità di un'applicazione di rilevamento a bassa concentrazione, è probabile che tu li abbia sentiti dire "beh, Raman potrebbe non essere abbastanza sensibile... ma forse SERS funzionerà!" Ma qual è la reale differenza tra queste due tecniche e perché la SERS (surface-enhanced Raman scattering, o in alternativa surface-enhanced Raman spectroscopy) è consigliata per applicazioni a bassa concentrazione? Esploriamo le differenze tecniche tra le spettroscopie Raman e SERS, nonché alcune considerazioni pratiche su come consideriamo i dati per ciascuna.
Nella normale spettroscopia Raman, una sorgente laser è incidente direttamente su un campione (Fig. 1a). La luce laser viene diffusa dai legami dell'analita e la luce diffusa anelasticamente viene raccolta ed elaborata in uno spettro Raman. La natura non distruttiva della tecnica, la selettività delle bande Raman e l'insensibilità all'acqua rendono Raman un utile strumento analitico per studi sia qualitativi che quantitativi di sistemi organici e inorganici.
Tuttavia, per decenni la spettroscopia Raman è stata una tecnica sottoutilizzata nelle applicazioni del mondo reale. Ciò può essere attribuito alle sue due principali limitazioni: 1) l'insensibilità intrinseca del Raman, poiché solo ~1 fotone incidente su 106 è Raman diffuso; e 2) interferenza di emissione di fluorescenza, che dipende dalla natura della molecola dell'analita e dalla lunghezza d'onda di eccitazione utilizzata. La fluorescenza è un fenomeno in competizione che è molto più efficiente dello scattering Raman e può quindi sopraffare completamente il segnale Raman.
Sebbene dipendano dalla forza di scattering della molecola dell'analita e dalla matrice del campione in questione, i limiti tipici di rilevamento per il normale scattering Raman possono variare da circa l'1% al 10% di concentrazione. Per alcune applicazioni come il rilevamento di malattie o l'identificazione di stupefacenti, questo limite può essere di diversi ordini di grandezza superiore a quanto richiesto! In questo caso, uno scienziato dell'applicazione potrebbe raccomandare una misurazione SERS. L'hardware richiesto sarebbe lo stesso di una normale misurazione Raman, ma per l'analisi SERS è richiesto un campionamento diverso. Per capire la differenza, parliamo un po' dell'effetto SERS.
Negli anni '70, diversi gruppi di ricerca hanno osservato che il segnale Raman di molecole organiche come la piridina veniva notevolmente potenziato quando adsorbito su un substrato metallico ruvido (Fig. 1b) [1–3]. Sebbene siano emerse diverse teorie per spiegare questa osservazione, oggi è generalmente accettato che il meccanismo di potenziamento sia duplice: il meccanismo di potenziamento elettromagnetico rappresenta il contributo dominante, mentre un meccanismo chimico rappresenta una porzione più piccola del potenziamento.
Il meccanismo di potenziamento elettromagnetico è consentito dall'uso di un substrato nanometallico ruvido costituito da un metallo nobile (solitamente argento o oro) e dalla presenza di plasmoni di superficie localizzati, che sono oscillazioni quantizzate degli elettroni di valenza del metallo scelto. Quando il laser eccita il complesso campione/nanosottrato, fa entrare in risonanza i plasmoni di superficie localizzati o eccita il "LSPR" (Fig. 2). In questa condizione vengono amplificate sia la radiazione di eccitazione laser che la radiazione diffusa dal campione. Le frecce in Fig. 1b sono in grassetto per mostrare questo aumento di magnitudine. Questo meccanismo può teoricamente spiegare il miglioramento del segnale di fattori fino a 1011 [4]. Il meccanismo chimico prevede trasferimenti di carica in risonanza con la lunghezza d'onda di eccitazione del laser e in genere rappresenta un fattore di potenziamento teorico fino a 104 [5]. La fluorescenza interferente può anche essere estinta da questi trasferimenti di carica. Con i meccanismi di miglioramento combinati siamo in grado di superare sia l'insensibilità intrinseca che l'interferenza della fluorescenza che limita la normale dispersione Raman. Esistono infatti studi che hanno dimostrato che il SERS è in grado di rilevare singole molecole [6,7]!
La fabbricazione di queste nanostrutture è stata un'area crescente della ricerca accademica negli ultimi due decenni. I substrati SERS possono includere sospensioni colloidali, nanosfere solide e metallo rivestito su chip di silicio. L'aumento tende ad essere al suo apice quando la molecola dell'analita è posta in una giunzione di nanostrutture (altrimenti noto come "hotspot" SERS), quindi i ricercatori possono personalizzare le forme e l'attività plasmonica di questi substrati per raggiungere livelli di miglioramento ancora maggiori per i loro scopi di ricerca.
Esistono anche substrati SERS commerciali che possono essere acquistati da utilizzare per applicazioni del mondo reale. Questi substrati sono progettati per essere facili da usare, flessibili ed economici, ma potrebbero non essere così sensibili come substrati altamente ordinati. Offriamo entrambi:
Substrato montato su diapositiva
Dopo aver discusso con uno scienziato dell'applicazione, gli utenti possono determinare che un substrato SERS disponibile in commercio è adatto alla loro applicazione. Tuttavia, in altri può essere necessaria una maggiore sensibilità per soddisfare i limiti di rilevamento per l'applicazione. In questo caso, i laboratori universitari locali che lavorano sulla nanofabbricazione potrebbero essere in grado di collaborare alle misurazioni.
Riceviamo spesso domande come "Possiamo utilizzare la nostra libreria di riferimento Raman esistente per analizzare il nostro spettro SERS?"La Figura 3 mostra la differenza tra un normale spettro Raman di fentanil HCl (Fig. 3a), e uno spettro SERS di una soluzione satura di fentanil HCl su un substrato SERS commerciale (Fig. 3b). Il normale spettro Raman per il fentanil contiene significativamente più picchi rispetto allo spettro SERS corrispondente. Le bande SERS sono anche notevolmente più larghe delle normali bande Raman. Nel caso degli spettri SERS, non sono solo i modi vibrazionali della molecola che vengono sondati, ma il campione come adsorbito al substrato. Quindi, possiamo anche osservare alcuni picchi in uno spettro SERS che possono essere attribuiti esclusivamente al substrato. A causa delle differenze tra uno spettro SERS e uno spettro Raman normale, in alcuni casi può essere difficile utilizzare librerie Raman commerciali per l'analisi degli spettri SERS. Incoraggiamo gli utenti che richiedono l'identificazione SERS a creare i propri database spettrali SERS utilizzando i loro substrati. Includiamo anche librerie di narcotici specifiche per SERS su alcuni dei nostri prodotti Raman palmari TacticID. Per un'analisi dei dati più complicata, c'è anche un'ampia base di letteratura SERS a cui attingere.
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Nelle applicazioni di rilevamento a bassa concentrazione o nei casi in cui la fluorescenza sovrasta il segnale Raman, SERS è una tecnica inestimabile sia per i ricercatori che per i risolutori di problemi del mondo reale. Per ulteriori informazioni, visitare il nostro sito Web.
La tua conoscenza "take-aways"
Riferimenti
[1] DL Jeanmaire e RP Van Duyne, J. Elettroanale, Chimica. 84, 1–20 (1977).
[2] M. Fleischmann, PJHendra, e AJ McQuillan, Chimica. Phys. Lett. 26, 163-166 (1974).
[3] MG Albrecht e JA Creighton, J. Sono. Chimica. soc. 99 , 5215-5217 (1977).
[4] JP Camden , J. UN. Dieringer, Y. Wang, DJ Masiello, LD Segni, GC Schatz, e RP Van Duyne, J. Sono. Chimica. soc. 130 , 12616–12617 (2008).
[5] R. Pilota, R. Signorini e L Fabris, "Spettroscopia Raman con superficie migliorata: principi, substrati e applicazioni". In: Deepak FL, editore. Nanoparticelle metalliche e cluster: progressi nella sintesi, proprietà e applicazioni . Springer; Cham, Svizzera: 2018. pp. 89–164.
[6] JA Dieringer, RB Lettan, KA Scheidt e RP Van Duyne, J. Sono. Chimica. soc.129, 16249–16256 (2007).
[7] K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, LT Perelman, I. Itzkan, RR Dasari e MS campo, Phys. Rev. Lett. 78, 1667-1670 (1997).