Raman vs SERS... Qual è la differenza?
1 feb 2021
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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 (Figura 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.
