Рамановская спектроскопия с усилением поверхности - Surface-enhanced Raman spectroscopy
Рамановская спектроскопия с усилением поверхности или комбинационное рассеяние с усилением поверхности ( SERS ) - это поверхностно-чувствительный метод, который усиливает рамановское рассеяние на молекулах, адсорбированных на шероховатых металлических поверхностях, или наноструктурами, такими как плазмонно-магнитные нанотрубки из диоксида кремния. Коэффициент усиления может составлять от 10 10 до 10 11 , что означает, что метод может обнаруживать одиночные молекулы.
История
SERS пиридина, адсорбированного на электрохимически шероховатом серебре, впервые наблюдали Мартин Флейшманн , Патрик Дж. Хендра и А. Джеймс МакКвиллан на химическом факультете Саутгемптонского университета в Великобритании в 1973 году. Эта первоначальная публикация цитировалась более 6000 раз. 40-летие первого наблюдения эффекта SERS было отмечено Королевским химическим обществом награждением Саутгемптонского университета памятной табличкой National Chemical Landmark. В 1977 году две группы независимо отметили, что концентрация рассеивающих частиц не может объяснить усиленный сигнал, и каждая предложила механизм наблюдаемого усиления. Их теории до сих пор считаются объяснением эффекта SERS. Жанмэр и Ричард Ван Дайн предложили электромагнитный эффект, а Альбрехт и Крейтон предложили эффект переноса заряда. Руфус Ричи из отдела исследований в области здравоохранения Национальной лаборатории Окриджа предсказал существование поверхностного плазмона .
Механизмы
Точный механизм усиления эффекта SERS все еще обсуждается в литературе. Существуют две основные теории, и хотя их механизмы существенно различаются, экспериментально различить их оказалось непросто. Электромагнитная теория предполагает возбуждение локализованных поверхностных плазмонов , в то время как химическая теория предполагает образование комплексов с переносом заряда . Химическая теория основана на резонансной рамановской спектроскопии , в которой частотное совпадение (или резонанс) энергии падающего фотона и электронного перехода значительно увеличивает интенсивность комбинационного рассеяния света. Проведенное в 2015 году исследование более мощного расширения техники SERS под названием SLIPSERS (Slippery Liquid-Infused Porous SERS) еще раз подтвердило теорию ЭМ.
Электромагнитная теория
Увеличение интенсивности рамановского сигнала для адсорбатов на определенных поверхностях происходит из-за увеличения электрического поля, создаваемого поверхностью. Когда падающий свет в эксперименте падает на поверхность, возбуждаются локализованные поверхностные плазмоны. Увеличение поля является наибольшим, когда частота плазмона ω p находится в резонансе с излучением ( для сферических частиц). Для того чтобы рассеяние произошло, плазмонные колебания должны быть перпендикулярны поверхности; если они находятся в плоскости с поверхностью, рассеяния не произойдет. Именно из-за этого требования в экспериментах SERS обычно используются шероховатые поверхности или расположение наночастиц , поскольку эти поверхности обеспечивают область, на которой могут возникать эти локализованные коллективные колебания . Усиление SERS может происходить даже тогда, когда возбужденная молекула находится относительно далеко от поверхности, на которой расположены металлические наночастицы, что дает возможность явления поверхностного плазмона.
Свет, падающий на поверхность, может вызвать множество явлений на поверхности, однако сложность этой ситуации может быть сведена к минимуму с помощью поверхностей с элементами, намного меньшими, чем длина волны света, поскольку система будет распознавать только дипольный вклад. Диполярный член вносит вклад в плазмонные колебания, что приводит к усилению. Эффект SERS настолько выражен, потому что усиление поля происходит вдвое. Во-первых, усиление поля увеличивает интенсивность падающего света, который возбуждает комбинационные моды исследуемой молекулы, тем самым увеличивая сигнал комбинационного рассеяния света. Затем рамановский сигнал дополнительно усиливается поверхностью из-за того же механизма, который возбуждает падающий свет, что приводит к большему увеличению общего выходного сигнала. На каждом этапе электрическое поле увеличивается как E 2 , в результате чего общее усиление составляет E 4 .
Улучшение не одинаково для всех частот. Для тех частот, для которых сигнал комбинационного рассеяния лишь незначительно смещен относительно падающего света, как падающий лазерный свет, так и сигнал комбинационного рассеяния могут быть близки к резонансу с частотой плазмона, что приводит к усилению E 4 . Когда частотный сдвиг велик, падающий свет и рамановский сигнал не могут одновременно находиться в резонансе с ω p , поэтому усиление на обоих этапах не может быть максимальным.
Выбор поверхностного металла также продиктован частотой плазмонного резонанса. Видимое и ближнее инфракрасное излучение (NIR) используется для возбуждения рамановских мод. Серебро и золото являются типичными металлами для экспериментов с SERS, поскольку их частоты плазмонного резонанса попадают в эти диапазоны длин волн, обеспечивая максимальное усиление для видимого и ближнего инфракрасного света. Спектр поглощения меди также попадает в диапазон, приемлемый для экспериментов SERS. Наноструктуры платины и палладия также демонстрируют плазмонный резонанс в видимых и ближних ИК диапазонах.
Химическая теория
Резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния объясняет огромное увеличение интенсивности комбинационного рассеяния света. Межмолекулярный и внутримолекулярный перенос заряда значительно усиливает пики спектра комбинационного рассеяния. В частности, усиление является огромным для частиц, адсорбирующих поверхность металла, из-за высокоинтенсивного переноса заряда с поверхности металла с широкой полосой на адсорбирующие частицы. Это резонансное рамановское усиление является доминирующим в SERS для частиц на небольших нанокластерах со значительной шириной запрещенной зоны , поскольку поверхностный плазмон появляется только на поверхности металла с почти нулевой шириной запрещенной зоны. Этот химический механизм, вероятно, происходит вместе с электромагнитным механизмом для поверхности металла.
Поверхности
Хотя SERS можно проводить в коллоидных растворах, сегодня наиболее распространенным методом выполнения измерений SERS является нанесение жидкого образца на кремниевую или стеклянную поверхность с наноструктурированной поверхностью из благородного металла. В то время как первые эксперименты проводились на серебре с электрохимической шероховатостью, теперь поверхности часто готовят с использованием распределения металлических наночастиц на поверхности, а также с использованием литографии или пористого кремния в качестве основы. Двумерные кремниевые наностолбики, украшенные серебром, также использовались для создания активных подложек SERS. Наиболее распространенными металлами, используемыми для плазмонных поверхностей в видимом свете SERS, являются серебро и золото; однако недавно был исследован алюминий как альтернативный плазмонный материал, поскольку его плазмонная полоса находится в УФ-области, в отличие от серебра и золота. Следовательно, существует большой интерес к использованию алюминия для УФ SERS. Однако неожиданно было показано, что он имеет большое улучшение в инфракрасном диапазоне, что до конца не изучено. В текущем десятилетии было признано, что необходимо снизить стоимость субстратов SERS, чтобы они стали широко используемым методом аналитических химических измерений. Чтобы удовлетворить эту потребность, плазмонная бумага получила широкое внимание в этой области, при этом высокочувствительные подложки из SERS формируются с помощью таких подходов, как замачивание, синтез на месте, трафаретная печать и струйная печать.
Форма и размер металлических наночастиц сильно влияют на силу усиления, поскольку эти факторы влияют на соотношение событий поглощения и рассеяния. Для этих частиц существует идеальный размер и идеальная толщина поверхности для каждого эксперимента. Если можно будет лучше регулировать концентрацию и размер частиц для каждого эксперимента, это будет иметь большое значение для снижения стоимости субстратов. Слишком большие частицы позволяют возбуждать безызлучательные мультиполи . Поскольку только дипольный переход приводит к комбинационному рассеянию, переходы более высокого порядка вызовут снижение общей эффективности усиления. Слишком маленькие частицы теряют свою электрическую проводимость и не могут усиливать поле. Когда размер частицы приближается к нескольким атомам, определение плазмона не выполняется, так как должен быть большой набор электронов, чтобы колебаться вместе. Идеальная подложка SERS должна обладать высокой однородностью и сильным усилением поля. Такие подложки могут быть изготовлены в масштабе пластин, и микроскопия сверхвысокого разрешения без меток также была продемонстрирована с использованием флуктуаций сигнала комбинационного рассеяния света с усилением поверхности на таких очень однородных, высокоэффективных плазмонных метаповерхностях.
Приложения
Субстраты SERS используются для обнаружения присутствия биомолекул с низким содержанием и, следовательно, могут обнаруживать белки в жидкостях организма. Раннее обнаружение биомаркеров рака поджелудочной железы было выполнено с использованием подхода иммуноанализа на основе SERS. Платформа обнаружения мультиплексных белковых биомаркеров на основе SERS в микрожидкостном чипе используется для обнаружения нескольких белковых биомаркеров для прогнозирования типа заболевания и критических биомаркеров и увеличения вероятности диагностики заболеваний с похожими биомаркерами (PC, OVC и панкреатит). Эта технология использовалась для обнаружения свободных мочевины и плазмы крови в сыворотке крови человека и может стать следующим поколением в области обнаружения и скрининга рака.
Возможность анализа состава смеси в наномасштабе делает использование субстратов SERS полезным для анализа окружающей среды, фармацевтики, материаловедения, искусства и археологических исследований, судебной медицины, обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ, анализа качества пищевых продуктов и отдельных водорослевых клеток. обнаружение. SERS в сочетании с плазмонным зондированием может использоваться для высокочувствительного и количественного анализа малых молекул в биологических жидкостях человека, количественного определения биомолекулярного взаимодействия и изучения окислительно-восстановительных процессов на уровне отдельных молекул.
SERS - это мощный метод определения структурной информации о молекулярной системе. Он нашел широкое применение в сверхчувствительном химическом зондировании и анализе окружающей среды.
Иммуноанализы
Иммуноанализы на основе SERS могут использоваться для обнаружения биомаркеров с низким содержанием. Например, антитела и частицы золота можно использовать для количественного определения белков в сыворотке с высокой чувствительностью и специфичностью.
Нацеливание на олигонуклеотиды
SERS может использоваться для нацеливания на определенные последовательности ДНК и РНК с использованием комбинации наночастиц золота и серебра и красителей, активных в комбинационном эффекте , таких как Cy3 . С помощью этого метода можно идентифицировать специфические однонуклеотидные полиморфизмы (SNP). Наночастицы золота способствуют образованию серебряного покрытия на участках ДНК или РНК, меченных красителем, что позволяет проводить SERS. У этого есть несколько потенциальных приложений: например, Cao et al. сообщают, что с помощью этого метода можно однозначно идентифицировать последовательности генов ВИЧ, Эболы, гепатита и Bacillus Anthracis. Каждый спектр был специфическим, что дает преимущество перед детектированием флуоресценции; некоторые флуоресцентные маркеры перекрываются и мешают другим маркерам генов. Преимущество этого метода идентификации последовательностей генов состоит в том, что несколько красителей комбинационного рассеяния коммерчески доступны, что может привести к разработке неперекрывающихся зондов для обнаружения генов.
Правила отбора
Термин " поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия" подразумевает, что она предоставляет ту же информацию, что и традиционная рамановская спектроскопия, просто со значительно усиленным сигналом. Хотя спектры большинства экспериментов SERS похожи на спектры без поверхностного усиления, часто есть различия в количестве присутствующих мод. Дополнительные моды, не обнаруженные в традиционном спектре комбинационного рассеяния, могут присутствовать в спектре SERS, в то время как другие моды могут исчезнуть. Режимы, наблюдаемые в любом спектроскопическом эксперименте, продиктованы симметрией молекул и обычно резюмируются правилами отбора . Когда молекулы адсорбируются на поверхности, симметрия системы может измениться, слегка изменив симметрию молекулы, что может привести к различиям в выборе режима.
Один из распространенных способов модификации правил отбора связан с тем, что многие молекулы, имеющие центр симметрии, теряют это свойство при адсорбции на поверхности. Потеря центра симметрии устраняет требования правила взаимного исключения, согласно которому режимы могут быть активными только в рамановском или инфракрасном диапазоне. Таким образом, моды, которые обычно появляются только в инфракрасном спектре свободной молекулы, могут появиться в спектре SERS.
Симметрия молекулы может быть изменена по-разному в зависимости от ориентации, в которой молекула прикреплена к поверхности. В некоторых экспериментах можно определить ориентацию адсорбции на поверхности по спектру SERS, поскольку будут присутствовать разные режимы в зависимости от того, как изменяется симметрия.