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Se você já conversou com um espectroscopista Raman sobre a viabilidade de uma aplicação de detecção de baixa concentração, é provável que você os tenha ouvido dizer “bem, Raman pode não ser sensível o suficiente… mas talvez o SERS funcione!” Mas qual é a diferença real entre essas duas técnicas e por que o SERS (espalhamento Raman aprimorado pela superfície ou, alternativamente, espectroscopia Raman aprimorada pela superfície) é recomendado para aplicações de baixa concentração? Vamos explorar as diferenças técnicas entre as espectroscopias Raman e SERS, bem como algumas das considerações práticas sobre como consideramos os dados de cada uma.
Na espectroscopia Raman normal, uma fonte de laser incide diretamente em uma amostra (Figura 1a). A luz do laser é espalhada pelas ligações do analito, e a luz espalhada de forma inelástica é coletada e processada em um espectro Raman. A natureza não destrutiva da técnica, a seletividade das bandas Raman e a insensibilidade à água fazem de Raman uma ferramenta analítica útil para estudos qualitativos e quantitativos de sistemas orgânicos e inorgânicos.
No entanto, durante décadas a espectroscopia Raman foi uma técnica subutilizada em aplicações do mundo real. Isso pode ser atribuído às suas duas principais limitações: 1) a insensibilidade inerente de Raman, já que apenas ~1 em 106 os fótons incidentes são espalhados Raman; e 2) interferência de emissão de fluorescência, que depende da natureza da molécula do analito e do comprimento de onda de excitação utilizado. A fluorescência é um fenômeno concorrente muito mais eficiente que o espalhamento Raman e pode, portanto, sobrecarregar completamente o sinal Raman.
Embora dependam da força de espalhamento da molécula do analito e da matriz da amostra em questão, os limites típicos de detecção para o espalhamento Raman normal podem variar de ~1–10% em concentração. Para certas aplicações, como detecção de doenças ou identificação de narcóticos, este limite pode ser várias ordens de grandeza superior ao necessário! Neste caso, um cientista de aplicação pode recomendar uma medição SERS. O hardware necessário seria o mesmo de uma medição Raman normal, mas é necessária uma amostragem diferente para a análise SERS. Para entender a diferença, vamos discutir um pouco sobre o efeito SERS.
Na década de 1970, vários grupos de pesquisa observaram que o sinal Raman de moléculas orgânicas como a piridina era grandemente aumentado quando adsorvido a um substrato metálico rugoso.Figura 1b) [1–3]. Embora várias teorias tenham surgido para explicar esta observação, hoje é geralmente aceito que o mecanismo de melhoria é duplo: o mecanismo de melhoria eletromagnética é responsável pela contribuição dominante, enquanto um mecanismo químico é responsável por uma porção menor da melhoria.
O mecanismo de aprimoramento eletromagnético é possibilitado pelo uso de um substrato nanometálico rugoso feito de um metal nobre (geralmente prata ou ouro) e pela presença de plasmons de superfície localizados, que são oscilações quantizadas dos elétrons de valência do metal escolhido. Quando o laser excita o complexo amostra/nanossubstrato, ele leva os plasmons de superfície localizados à ressonância ou excita o “LSPR” (Figura 2).
Nesta condição, tanto a radiação de excitação do laser como a radiação espalhada da amostra são amplificadas. As setas em Figura 1b estão em negrito para mostrar esse aumento em magnitude.
Este mecanismo pode, teoricamente, ser responsável pelo aumento do sinal por fatores tão grandes quanto 1011 [4]. O mecanismo químico envolve transferências de carga em ressonância com o comprimento de onda de excitação do laser e normalmente é responsável por um fator de aumento teórico de até 104 [5]. A fluorescência interferente também pode ser extinta por essas transferências de carga. Com os mecanismos de aprimoramento combinados, somos capazes de superar a insensibilidade inerente e a interferência de fluorescência que limita o espalhamento Raman normal. Na verdade, existem estudos que demonstraram que o SERS é capaz de detectar moléculas únicas [6,7]!
A fabricação dessas nanoestruturas tem sido uma área crescente de pesquisa acadêmica nas últimas duas décadas. Os substratos SERS podem incluir suspensões coloidais, nanoesferas sólidas e metal revestido em chips de silício. O aprimoramento tende a atingir seu auge quando a molécula do analito é colocada em uma junção de nanoestruturas (também conhecida como “ponto de acesso” SERS), para que os pesquisadores possam adaptar as formas e a atividade plasmônica desses substratos para atingir níveis ainda maiores de aprimoramento. para seus fins de pesquisa.
A Metrohm oferece substratos SERS comerciais que estão disponíveis para compra para uso em aplicações do mundo real. Esses substratos são projetados para serem fáceis de usar, flexíveis e de baixo custo. Estão disponíveis substratos SERS em papel e soluções coloidais de nanopartículas. Também é oferecido um kit SERS introdutório que contém os dois tipos de materiais.
Após discussão com um cientista de aplicação, os usuários podem determinar se um substrato SERS disponível comercialmente é adequado para sua aplicação. Contudo, em outros, pode ser necessária maior sensibilidade para atender aos limites de detecção da aplicação. Neste caso, laboratórios universitários locais que trabalham em nanofabricação poderão colaborar nas medições.
Muitas vezes recebemos perguntas como “Podemos usar nossa biblioteca de referência Raman existente para analisar nosso espectro SERS?” Figura 3 mostra a diferença entre um espectro Raman normal de fentanil HCl e um espectro SERS de uma solução saturada de fentanil HCl em um substrato comercial de SERS.
O espectro Raman normal para fentanil contém significativamente mais picos do que o espectro SERS correspondente. As bandas SERS também são visivelmente mais largas que as bandas Raman normais. No caso dos espectros SERS, não são apenas os modos vibracionais da molécula que estão sendo sondados, mas a amostra adsorvida ao substrato. Assim, também podemos observar alguns picos no espectro SERS que podem ser atribuídos puramente ao substrato.
Devido às diferenças entre um espectro SERS e um espectro Raman normal, pode ser difícil, em alguns casos, utilizar bibliotecas Raman comerciais para análise de espectros SERS. Encorajamos os usuários que necessitam de identificação SERS a criar seus próprios bancos de dados espectrais SERS usando seus substratos. Também incluímos bibliotecas de narcóticos específicas do SERS em alguns de nossos produtos Raman portáteis TacticID. Para análises de dados mais complicadas, existe também uma extensa base de literatura SERS à qual recorrer.
Instrumentos Raman portáteis TacticID
Em aplicações de detecção de baixa concentração ou em casos em que a fluorescência supera o sinal Raman, o SERS é uma técnica inestimável tanto para pesquisadores quanto para solucionadores de problemas do mundo real. Para mais informações, visite nosso site.
Suas conclusões de conhecimento
Referências
[1] DL Jeanmaire e RP Van Duyne, J. Eletroanal, Química. 84, 1–20 (1977).
[2] M.Fleischmann, PJ Hendra, e AJ McQuillan, Química. Física. Vamos. 26, 163-166 (1974).
[3] MG Albrecht e J.A. Creighton, J. Sou. Química. Soc. 99 , 5215-5217 (1977).
[4] JP Camden , J. A. Dieringer, E. Wang, DJ Masiello, LD Marcas, CG Schatz, e PR Van Duyne, J. Sou. Química. Soc. 130 , 12616–12617 (2008).
[5] R. Piloto, R. Signorini e L Fabris, “Espectroscopia Raman Aprimorada de Superfície: Princípios, Substratos e Aplicações”. In: Deepak FL, editor. Nanopartículas e Clusters Metálicos: Avanços em Síntese, Propriedades e Aplicações . Springer; Cham, Suíça: 2018. pp. 89–164.
[6] JÁ Dieringer, RB Lettan, Ka Scheidt e RP Van Duyne, J. Sou. Química. Soc.129, 16249–16256 (2007).
[7] K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, LT Perelman, E. Itzkan, RR Dasari e MS campo, Física. Rev. Vamos. 78, 1667-1670 (1997).