Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy)
Cząsteczki zaadsorbowane na chropowatych powierzchniach niektórych metali (Ag, Au, Cu) dają bardzo intensywny sygnał ramanowski. Wzmocnienie rozpraszania ramanowskiego w stosunku do zwykłych warunków rejestracji widma jest rzędu 10 6 lub większe. 1974- Pierwsza wzmianka o zaskakująco silnym rozproszeniu ramanowskim: Fleischmann et al. - rejestracja widm ramanowskich pirydyny zaadsorbowanej na elektrodzie srebrowej poddanej uprzednio kilkukrotnemu cyklowi utlenianie-redukcja 1977 - Jeanmaire & Van Duyne oraz Albrecht & Creighton wykazują, iŝ obserwowane w tych warunkach silne wzmocnienia sygnału ramanowskiego nie da się wyjaśnić zwiększoną powierzchnią adsorpcyjną metalu Obecnie przyjmuje się, Ŝe obserwowane wzmocnienie sygnału jest wypadkową dwóch mechanizmów: wzmocnienia chemicznego oraz wzmocnienia pola elektromagnetycznego.
Wzmocnienie chemiczne W wyniku nałoŝenia się na siebie orbitali walencyjnych cząsteczki zaadsorbowanej oraz pasma przewodnictwa metalu moŝliwe staje się przeniesienie ładunku (chargetransfer) z adsorbatu do metalu (lub na odwrót). Proces ten moŝe zostać spowodowany absorpcją fotonu o energii hν 0, jeśli energia ta odpowiada róŝnicy E r - E m. Taka absorpcja rezonansowa powoduje wyraźny wzrost składowej tensora rozproszenia: metal adsorbat ( α ) ρσ mn = r ( M ) ( M ) ( M ) ( M ) E r σ mr E m ρ rn mr + hν 0 E E hν 0 r ρ n σ rn
Charakterystyka wzmocnienia chemicznego wzmocnienie natęŝenia światła rozproszonego ramanowsko w stosunku do zwykłych warunków rejestracji widma jest rzędu 10 2 wzmocnienie występuje jedynie dla cząsteczek bezpośrednio oddziałujących z metalem - zasięg ograniczony do monowarstwy adsorbatu (duŝa specyficzność powierzchniowa) wzmocnienie chemiczne nie zaleŝy od właściwości optycznych metalu, tylko od natury oddziaływań metal-adsorbat; obserwuje się je równieŝ w przypadku innych metali niŝ Ag, Au czy Cu wielkość wzmocnienia chemicznego zaleŝy od połoŝenia poziomu Fermiego metalu i zmienia się w zaleŝności od przyłoŝonego do elektrody potencjału.
Wzmocnienia pola elektromagnetycznego - rezonansowa oscylacja plazmonów powierzchniowych E( r) E 0 r I 0 a θ a << λ Oddziaływanie wektora E fali padającej o λ >> a na swobodne elektrony powierzchniowe metalu powoduje ich przemieszczanie się, z określoną częstością, w kierunku góra-dół. Ten kolektywny ruch elektronów powierzchniowych nazywany jest plazmonem powierzchniowym. Oscylujący dipol (plazmon) jest źródłem fali elektromagnetycznej, której kierunek propagacji jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali wzbudzającej następuje lokalne wzmocnienie pola elektrycznego
Całkowite natęŝenie pola elektrycznego w odległości r od powierzchni metalicznej sfery wynosi; 3 a E( r) E0 cosθ g E0 cosθ 3 r = + ε m( ν 0) ε 0 g = ε ( ν ) + 2ε m 0 gdzie: ε m (ν 0 ) - przenikalność dielektryczna (zespolona) metalu ε 0 - przenikalność dielektryczna ośrodka 0 W przypadku, gdy ośrodkiem jest próŝnia lub powietrze (ε 0 =1), maksymalną wartość współczynnika g (a zatem maksymalną wartość E(r) ) uzyskuje się dla częstości ν r, spełniającej warunek: ε m (ν r ) = -2 /ściślej - Re{ε m (ν r )} = -2 / ν r - częstość rezonansowa oscylacji plazmonów
Charakterystyka wzmocnienia pola elektromagnetycznego efekt wzmocnienia pola zaleŝy głównie od właściwości optycznych metalu i jest najsilniejszy dla Ag, Au i Cu wzmocnienie pola powoduje wzrost natęŝenia rozproszenia ramanowskiego rzędu 10 4 w stosunku do zwykłych warunków rejestracji jest odczuwalny w odległości do kilkudziesięciu nm od powierzchni metalu (obejmuje swym zasięgiem kilka warst atomowych) wielkość efektu silnie zaleŝy od rozmiaru i kształtu chropowatości, morfologii powierzchni metalu lub rozmiarów agregatów atomów metalu
Największe wzmocnienie uzyskuje się, gdy ziarnistość metalu ma rozmiary rzędu 10-100nm. Powierzchnię o takiej strukturze moŝna spreparować na kilka sposobów: poddanie elektrody kilkukrotnemu cyklowi reakcji utleniania-redukcji osadzenie par metalu na odpowiednio oziębionym podłoŝu ścieranie gładkich powierzchni metalu za pomocą wysokoenergetycznych jonów utworzenie koloidalnych agregatów atomów metalu (zole metali) koloidalne agregaty Au elektrochemicznie wytrawiona powierzchnia Ag
Nowoczesne techniki projektowania uporządkowanych powierzchni do SERS A) nanolitografia B) osadzanie koloidu na matrycy C) litografia z uŝyciem wiązki elektronów A) B) C)
SERS z zastosowaniem nanocząstek Nanocząstki Au i Ag bardzo silnie wzmacniają promieniowanie elektromagnetyczne. UmoŜliwia to uzyskanie widma SERS poprzez wprowadzenie substratu wzmacniającego promieniowanie do badanego układu (np. komórki) Zaadsorbowane na powierzchni duŝych cząsteczek (białek) nanocząstki pozwalają uzyskać widmo SERS tych cząsteczek w warunkach in vivo. Częstość rezonansowa oscylacji plazmonów zaleŝy od rozmiaru cząstki moŝliwość dostrojenia rozpraszanej częstości
SERS z zastosowaniem nanosensorów cząsteczki próbki cząsteczki próbniki
Wewnątrzkomórkowy czujnik ph (C.E.Talley et al., Anal.Chem.2004,76,7064) Kwas 4-merkaptobenzoesowy osadzony na nanocząsteczkach Ag o średnicy 50-80nm wprowadzono do komórek Ŝywego chomika. ph=12,3 ph=5,0
Problemy metody SERS widma SERS na ogół róŝnią się od tradycyjnych widm ramanowskich - inne reguły wyboru oraz złamanie symetrii cząsteczki w wyniku adsorpcji moŝe spowodować zmianę względnych intensywności poszczególnych pasm (zanik niektórych pasm lub pojawienie się innych) intensywność pasma nie daje się w prosty sposób powiązać ze stęŝeniem cząsteczek trudność uzyskania powierzchni wzmacniających o identycznej morfologii (problem z powodzeniem rozwiązywany przez nanotechnologię)