Yüzeyi geliştirilmiş Raman spektroskopisi - Surface-enhanced Raman spectroscopy
Yüzeyle güçlendirilmiş Raman spektroskopisi veya yüzeyle güçlendirilmiş Raman saçılması ( SERS ), pürüzlü metal yüzeylerde adsorbe edilen moleküller veya plazmonik-manyetik silika nanotüpler gibi nano yapılar tarafından Raman saçılımını artıran yüzeye duyarlı bir tekniktir . Geliştirme faktörü kadar kadar 10 olabilir 10 ila 10 , 11 tek molekülleri tespit edilebilir bir teknik anlamına gelir.
Tarih
Elektrokimyasal olarak pürüzlendirilmiş gümüş üzerine adsorbe edilen piridinden SERS ilk olarak 1973 yılında Southampton Üniversitesi Kimya Bölümü'nde Martin Fleischmann , Patrick J. Hendra ve A. James McQuillan tarafından gözlemlenmiştir . Bu ilk yayına 6000'den fazla atıf yapılmıştır. SERS etkisinin ilk gözleminin 40. Yıldönümü, Royal Society of Chemistry tarafından Southampton Üniversitesi'ne National Chemical Landmark plaketi verilmesiyle kutlandı. 1977'de, iki grup bağımsız olarak, saçılan türlerin konsantrasyonunun, artan sinyali hesaba katamayacağını ve her birinin gözlemlenen geliştirme için bir mekanizma önerdiğini belirtti. Teorileri hala SERS etkisini açıklayan olarak kabul edilmektedir. Jeanmaire ve Richard Van Duyne bir elektromanyetik etki önerirken, Albrecht ve Creighton bir yük transfer etkisi önerdi. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nın Sağlık Bilimleri Araştırma Bölümü'nden Rufus Ritchie, yüzey plazmonunun varlığını öngördü .
mekanizmalar
SERS'in geliştirme etkisinin kesin mekanizması literatürde hala tartışma konusudur. İki temel teori vardır ve mekanizmaları önemli ölçüde farklılık gösterse de, bunları deneysel olarak ayırt etmek kolay olmamıştır. Elektromanyetik teori uyarma önermektedir lokalize yüzey plazmonları kimyasal teori oluşumu önerirken, yük transfer kompleksleri . Kimyasal teori, gelen foton enerjisinin frekans çakışmasının (veya rezonansının) ve elektron geçişinin Raman saçılma yoğunluğunu büyük ölçüde arttırdığı rezonans Raman spektroskopisine dayanır . 2015 yılında SERS tekniğinin SLIPSERS (Slippery Liquid-Infused Porous SERS) olarak adlandırılan daha güçlü bir uzantısı üzerine yapılan araştırma, EM teorisini daha da desteklemiştir.
elektromanyetik teori
Belirli yüzeylerdeki adsorbatlar için Raman sinyalinin yoğunluğundaki artış , yüzey tarafından sağlanan elektrik alanındaki bir artış nedeniyle meydana gelir . Deneyde gelen ışık yüzeye çarptığında, lokalize yüzey plazmonları uyarılır. Alan geliştirmesi, plazmon frekansı, ω p , radyasyonla ( küresel parçacıklar için) rezonans içinde olduğunda en fazladır . Saçılmanın gerçekleşmesi için plazmon salınımlarının yüzeye dik olması gerekir; yüzeyle aynı düzlemdeyseler saçılma olmaz. Bu gereklilik nedeniyle, bu yüzeyler bu lokalize toplu salınımların meydana gelebileceği bir alan sağladığından , pürüzlü yüzeyler veya nanopartikül düzenlemeleri tipik olarak SERS deneylerinde kullanılır . SERS geliştirmesi, uyarılmış bir molekül, yüzey plazmon fenomenini sağlayan metalik nanoparçacıkları barındıran yüzeyden nispeten uzakta olduğunda bile meydana gelebilir.
Yüzeye düşen ışık, yüzeyde çeşitli fenomenleri harekete geçirebilir, ancak bu durumun karmaşıklığı , sistem tarafından sadece dipolar katkı tanınacağından , ışığın dalga boyundan çok daha küçük özelliklere sahip yüzeyler tarafından en aza indirilebilir. Dipolar terim, gelişmeye yol açan plazmon salınımlarına katkıda bulunur. Alan geliştirme iki kez gerçekleştiği için SERS etkisi çok belirgindir. İlk olarak, alan geliştirme, incelenen molekülün Raman modlarını harekete geçirecek olan gelen ışığın yoğunluğunu büyütür , dolayısıyla Raman saçılımının sinyalini arttırır. Raman sinyali daha sonra, gelen ışığı uyaran aynı mekanizma nedeniyle yüzey tarafından daha da büyütülür ve toplam çıktıda daha büyük bir artışa neden olur. Her aşamada elektrik alanı E olarak arttırılır 2 E toplam artırılması için, 4 .
İyileştirme tüm frekanslar için eşit değildir. Raman sinyali sadece biraz gelen ışıktan kaydırılır olan bu frekanslar için, olay iki lazer ışığı ve Raman sinyal e giden plazmon frekansı ile yakın rezonans olabilir 4 geliştirme. Frekans kayması büyük olduğunda, gelen ışık ve Raman sinyalinin her ikisi de ω p ile rezonansta olamaz , bu nedenle her iki aşamadaki geliştirme maksimum olamaz.
Yüzey metalinin seçimi de plazmon rezonans frekansı tarafından belirlenir. Raman modlarını uyarmak için görünür ve yakın kızılötesi radyasyon (NIR) kullanılır. Gümüş ve altın , SERS deneyleri için tipik metallerdir, çünkü plazmon rezonans frekansları bu dalga boyu aralıklarına düşer ve görünür ve NIR ışığı için maksimum iyileştirme sağlar. Bakırın absorpsiyon spektrumu da SERS deneyleri için kabul edilebilir aralığa girer. Platin ve paladyum nanoyapıları ayrıca görünür ve NIR frekanslarında plazmon rezonansı gösterir.
kimyasal teori
Rezonans Raman spektroskopisi , Raman saçılma yoğunluğunun büyük artışını açıklar. Moleküller arası ve molekül içi yük transferleri, Raman spektrum tepelerini önemli ölçüde artırır. Özellikle, geniş bantlı metal yüzeyden adsorbe eden türlere yüksek yoğunluklu yük transferleri nedeniyle metal yüzeyi adsorbe eden türler için geliştirme çok büyüktür. Bu rezonans Raman geliştirme küçük ilgili türler için SERS egemendir nanoclustere önemli olan bant aralıkları için, yüzey plazmon sıfıra yakın bant boşlukları ile sadece metal yüzeyinde görünür. Bu kimyasal mekanizma muhtemelen metal yüzey için elektromanyetik mekanizma ile uyum içinde gerçekleşir.
yüzeyler
SERS, kolloidal çözeltilerde gerçekleştirilebilirken, günümüzde SERS ölçümlerini gerçekleştirmenin en yaygın yöntemi, nanoyapılı bir asil metal yüzeye sahip bir silikon veya cam yüzeye sıvı bir numune bırakmaktır. İlk deneyler elektrokimyasal olarak pürüzlendirilmiş gümüş üzerinde yapılırken, şimdi yüzeyler genellikle yüzeyde metal nanoparçacıkların dağılımının yanı sıra destek olarak litografi veya gözenekli silikon kullanılarak hazırlanır. Gümüşle süslenmiş iki boyutlu silikon nanosütunlar da SERS aktif substratları oluşturmak için kullanılmıştır. Görünür ışık SERS'de plazmonik yüzeyler için kullanılan en yaygın metaller gümüş ve altındır; bununla birlikte, alüminyum son zamanlarda alternatif bir plazmonik malzeme olarak araştırılmıştır, çünkü plazmon bandı gümüş ve altının aksine UV bölgesindedir. Bu nedenle, UV SERS için alüminyum kullanımına büyük ilgi vardır. Bununla birlikte, şaşırtıcı bir şekilde, kızılötesinde tam olarak anlaşılmayan büyük bir artışa sahip olduğu da gösterilmiştir. İçinde bulunduğumuz on yılda, yaygın olarak kullanılan bir analitik kimya ölçüm tekniği haline gelebilmek için SERS substratlarının maliyetinin düşürülmesi gerektiği kabul edilmiştir. Bu ihtiyacı karşılamak için, plazmonik kağıt, ıslatma, yerinde sentez, serigrafi ve mürekkep püskürtmeli baskı gibi yaklaşımlarla oluşturulan oldukça hassas SERS alt tabakaları ile bu alanda yaygın bir ilgi görmüştür.
Metal nanopartiküllerin şekli ve boyutu, güçlendirmenin gücünü güçlü bir şekilde etkiler çünkü bu faktörler absorpsiyon ve saçılma olaylarının oranını etkiler. Bu parçacıklar için ideal bir boyut ve her deney için ideal bir yüzey kalınlığı vardır. Her deney için konsantrasyon ve partikül boyutu daha iyi ayarlanabiliyorsa, bu, substratların maliyetinin düşürülmesinde uzun bir yol kat edecektir. Çok büyük parçacıklar , ışınımsız olan çok kutupluların uyarılmasına izin verir . Yalnızca dipol geçişi Raman saçılmasına yol açtığından, daha yüksek dereceli geçişler, geliştirmenin genel verimliliğinde bir azalmaya neden olacaktır. Çok küçük olan parçacıklar elektriksel iletkenliklerini kaybederler ve alanı iyileştiremezler. Parçacık boyutu birkaç atoma yaklaştığında, birlikte salınım yapmak için büyük bir elektron koleksiyonu olması gerektiğinden, bir plazmon tanımı geçerli değildir. İdeal bir SERS substratı, yüksek tekdüzeliğe ve yüksek alan iyileştirmesine sahip olmalıdır. Bu tür substratlar bir gofret ölçeğinde üretilebilir ve etiketsiz süper çözünürlüklü mikroskopi, bu tür yüksek oranda tek biçimli, yüksek performanslı plazmonik metayüzeyler üzerinde yüzeyi geliştirilmiş Raman saçılma sinyalinin dalgalanmaları kullanılarak da gösterilmiştir.
Uygulamalar
SERS substratları, düşük miktarda biyomoleküllerin varlığını tespit etmek için kullanılır ve bu nedenle vücut sıvılarındaki proteinleri tespit edebilir. Pankreas kanseri biyobelirteçlerinin erken tespiti, SERS tabanlı immünoassay yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirildi. Bir mikroakışkan çipte bir SERS bazlı multipleks protein biyobelirteç saptama platformu, hastalık türünü ve kritik biyobelirteçleri tahmin etmek ve benzer biyobelirteçlere (PC, OVC ve pankreatit) sahip hastalıklar arasında tanı şansını artırmak için çeşitli protein biyobelirteçlerini saptamak için kullanılır. Bu teknoloji, insan serumunda üre ve kan plazması etiketini tespit etmek için kullanılmıştır ve kanser tespiti ve taramasında yeni nesil olabilir.
Nano ölçekte bir karışımın bileşimini analiz etme yeteneği, SERS substratlarının çevre analizi, farmasötikler, malzeme bilimleri, sanat ve arkeolojik araştırmalar, adli bilimler, ilaç ve patlayıcıların tespiti, gıda kalitesi analizi ve tekli alg hücresi için faydalı olmasını sağlar. tespit etme. Plazmonik algılama ile birleştirilmiş SERS, insan biyoakışkanlarındaki küçük moleküllerin yüksek hassasiyetli ve kantitatif analizi, biyomoleküler etkileşimin kantitatif tespiti ve tek molekül seviyesinde redoks proseslerinin incelenmesi için kullanılabilir.
SERS, moleküler sistem hakkında yapısal bilgileri belirlemek için güçlü bir tekniktir. Ultra hassas kimyasal algılama ve çevresel analizde geniş bir uygulama alanı bulmuştur.
immünolojik testler
SERS tabanlı immünolojik testler, düşük miktarda biyobelirteçlerin saptanması için kullanılabilir. Örneğin, serumdaki proteinleri yüksek hassasiyet ve özgüllük ile ölçmek için antikorlar ve altın parçacıkları kullanılabilir.
Oligonükleotid hedefleme
SERS, altın ve gümüş nanoparçacıkların ve Cy3 gibi Raman-aktif boyaların bir kombinasyonunu kullanarak spesifik DNA ve RNA dizilerini hedeflemek için kullanılabilir . Spesifik tek nükleotid polimorfizmleri (SNP) bu teknik kullanılarak tanımlanabilir. Altın nanopartiküller, DNA veya RNA'nın boya etiketli bölgelerinde gümüş bir kaplamanın oluşumunu kolaylaştırarak SERS'in gerçekleştirilmesine izin verir. Bunun birkaç potansiyel uygulaması vardır: Örneğin, Cao ve ark. HIV, Ebola, Hepatit ve Bacillus Anthracis için gen dizilerinin bu teknik kullanılarak benzersiz bir şekilde tanımlanabileceğini bildirmektedir. Her spektrum, floresan algılamaya göre avantajlı olan spesifikti; bazı floresan belirteçler üst üste gelir ve diğer gen belirteçleriyle etkileşime girer. Gen dizilerini tanımlamak için bu tekniğin avantajı, birkaç Raman boyasının ticari olarak mevcut olmasıdır; bu, gen tespiti için örtüşmeyen probların geliştirilmesine yol açabilir.
Seçim kuralları
Terimi Raman spektroskopisi gelişmiş yüzey basitçe oldukça gelişmiş sinyal ile, geleneksel Raman spektroskopisi yok aynı bilgiler sağladığını ima eder. Çoğu SERS deneyinin spektrumu, yüzeyden zenginleştirilmiş spektrumlara benzer olsa da, mevcut modların sayısında genellikle farklılıklar vardır. Geleneksel Raman spektrumunda bulunmayan ek modlar SERS spektrumunda mevcut olabilirken diğer modlar kaybolabilir. Herhangi bir spektroskopik deneyde gözlemlenen modlar , moleküllerin simetrisi tarafından belirlenir ve genellikle Seçim kuralları ile özetlenir . Moleküller bir yüzeye adsorbe edildiğinde, sistemin simetrisi değişebilir, molekülün simetrisini hafifçe değiştirerek mod seçiminde farklılıklara yol açabilir.
Seçim kurallarının değiştirilmesinin yaygın bir yolu , simetri merkezine sahip birçok molekülün bir yüzeye adsorbe edildiğinde bu özelliği kaybetmesinden kaynaklanmaktadır. Bir simetri merkezinin kaybı, modların yalnızca Raman veya kızılötesi aktif olabileceğini belirten karşılıklı dışlama kuralının gerekliliklerini ortadan kaldırır . Böylece normalde sadece serbest molekülün kızılötesi spektrumunda görünen modlar SERS spektrumunda görünebilir.
Bir molekülün simetrisi, molekülün yüzeye bağlanma yönüne bağlı olarak farklı şekillerde değiştirilebilir. Bazı deneylerde, simetrinin nasıl değiştirildiğine bağlı olarak farklı modlar mevcut olacağından, SERS spektrumundan yüzeye adsorpsiyonun yönelimini belirlemek mümkündür.