Кіріспе

Спектроскопиялық техника

Беттік күшейтілген Раман спектроскопиясы немесе беттік күшейтілген Раман шашырауы (SERS) – бұл бетке сезімтал техника, ол кедір-бұдыр металл беттеріне немесе плазмоникалық магниттік кремний нанотүтіктер сияқты наноқұрылымдарға адсорбцияланған молекулалар арқылы Раман шашырауын күшейтеді. Күшейту коэффициенті 1010-нан 1011-ге дейін жете алады, яғни бұл техника жеке молекулаларды анықтауға мүмкіндік береді.

Механизмдер

SERS-тің күшейту әсерінің нақты механизмі әлі де әдебиетте даулы мәселе болып қалуда. Екі негізгі теория бар, және олардың механизмдері күрт өзгеше болғанымен, оларды тәжірибе жүзінде ажырату қиынға соққан. Электромагниттік теория жергілікті беттік плазмондардың оянуын ұсынады, ал химиялық теория зарядтарды алмасу кешендерінің қалыптасуын ұсынады. Химиялық теория резонанстық Раман спектроскопиясына негізделген, онда түсетін фотон энергиясының жиілігінің сәйкесуі (немесе резонансы) және электрондық өту Раман шашырауының қарқындылығын едәуір арттырады. 2015 жылғы зерттеулер SERS техникасының SLIPSERS (Сырғанақты сұйықтық сіңірілген кеуекті SERS) деп аталатын күшті кеңейтілген түрі ЭМ теориясын одан әрі растады.

Электромагниттік теория

Адсорбаттар үшін Раман сигналының қарқындылығының белгілі бір беттерде артуы, беттен берілетін электр өрісінің күшеюіне байланысты болады. Эксперименттегі түсетін жарық бетке тигенде, жергілікті беттік плазмондар қозады. Плазмондық жиілік ωp сәулеленумен резонанста болғанда (сфералық бөлшектер үшін) өріс күшеюі ең жоғары болады. Шашырау процесі жүруі үшін плазмондық тербелістер бетке перпендикуляр болуы керек; егер олар бетпен бір жазықтықта болса, шашырау болмайды. Осы талапты қанағаттандыру үшін SERS эксперименттерінде әдетте құрылымды өзгертілген беттер немесе нанобөлшектердің жиынтығы қолданылады, себебі бұл беттер осы жергілікті ұжымдық тербелістердің пайда болуына мүмкіндік беретін аймақты қамтамасыз етеді. SERS күшеюі, тіпті қозатын молекула металл нанобөлшектері бар беттен салыстырмалы түрде алыс болғанда да болуы мүмкін, бұл беттік плазмондық құбылыстарға жағдай жасайды. Бетке түсетін жарық бетте әртүрлі құбылыстарды қозуға қабілетті, бірақ бұл жағдайдың күрделілігін жарықтың толқын ұзындығынан әлдеқайда кішірек ерекшеліктері бар беттермен азайтуға болады, өйткені жүйе тек дипольдік үлеске ғана сезімтал. Дипольдік үлес плазмондық тербелістерге әсер етеді, бұл күшеюге алып келеді. SERS эффектісінің күшті болуының себебі – өріс күшеюі екі рет жүреді. Біріншіден, өріс күшеюі түсетін жарықтың қарқындылығын арттырады, бұл зерттеліп жатқан молекуланың Раман режимдерін қозады, соның салдарынан Раман шашырауының сигналы жоғарылайды. Содан кейін Раман сигналы да сол тетік арқылы беттен одан әрі күшейтіледі, ол түсетін жарықты қоздады, нәтижесінде жалпы шығыс көлемі артады. Әр кезеңде электр өрісі E2 ретінде күшейтіледі, бұл E4 күшейтілуіне әкеледі. Күшейту барлық жиіліктер үшін бірдей емес. Раман сигналының жиілігі түсетін жарықтан аз ғана ауытқан жағдайларда, лазерлік жарық пен Раман сигналы плазмондық жиілікке жақын болуы мүмкін, бұл E4 күшеюіне әкеледі. Жиілік ауытқуы үлкен болғанда, түсетін жарық пен Раман сигналы бірдей уақытта ωp-мен резонанста бола алмайды, сондықтан екі сатыдағы күшейту максималды бола алмайды. Беттік металлдың таңдалуы да плазмондық резонанс жиілігімен анықталады. Раман режимдерін қозу үшін көрінетін және жақын инфрақызыл сәулелер (NIR) қолданылады. Күміс пен алтын SERS эксперименттері үшін ең көп қолданылатын металдар, өйткені олардың плазмондық резонанс жиіліктері осы толқын ұзындығы диапазондарына сәйкес келеді, бұл көрінетін және NIR жарығын максималды түрде күшейтеді. Мыстың сіңіру спектрі де SERS эксперименттері үшін қабылданатын диапазонға жатады. Платина мен палладийдің наноқұрылымдары да көрінетін және NIR жиіліктерінде плазмондық резонанс көрсетеді.

Химиялық теория

Резонанстық Раман спектроскопиясы Раман шашырауының күрт жоғарылауын түсіндіреді. Молекулааралық және молекулаішілік зарядтар алмасу Раман спектрінің піктерін айтарлықтай күшейтеді. Атап айтқанда, металл бетіне адсорбцияланатын түліктер үшін күшею өте зор, себебі металл бетінен кең жолақты адсорбцияланатын түліктерге жоғары қарқынды зарядтар алмасу жүреді. Бұл резонанстық Раман күшеюі SERS-те маңызды жолақтық аралықтары бар шағын нанокластерлердегі түліктер үшін басым болып табылады.

Беттері

SERS-ті коллоидты ерітінділерде орындау мүмкін, бірақ бүгінгі таңда SERS өлшемдерін жүргізудің ең көп таралған әдісі – сұйық үлгіні наноқұрылымдалған асыл металл бетіне, кремний немесе шыны бетіне жағу. Алғашқы тәжірибелер электрохимиялық жолмен кедірген күмісте, сондай-ақ литография немесе кеуекті кремнийді тірек ретінде пайдалану арқылы жүргізілді. SERS белсенді субстраттар жасау үшін күміспен әшекейленген екі өлшемді кремний наноқұбырлар да қолданылды. Көрінетін жарықта SERS үшін плазмондық беттерде ең көп қолданылатын металдар – күміс және алтын. Алайда, алюминий жақында плазмондық материал ретінде зерттелді, себебі оның плазмондық диапазоны күміс пен алтыннан өзгеше, ультракөк сәуле аймағында орналасқан. Сондықтан алюминийді ультракөк SERS үшін қолдануға үлкен қызығушылық бар. Дегенмен, оның инфрақызыл сәуледе де күшті әсер ететіні анықталды, бірақ бұл әлі толыққанды түсіндірілмеген. Соңғы он жылда SERS субстраттарының құнын төмендету, оны аналитикалық химияның кеңінен қолданылатын өлшеу әдісіне айналдыру қажеттігі мойындалды. Бұл қажеттілікті қанағаттандыру үшін плазмондық қағаз саласында кеңінен зерттеулер жүргізілуде, жоғары сезімтал SERS субстраттары сіңіру, in situ синтез, экрандық басу және сиямен басу сияқты әдістер арқылы жасалады. Металл нанобөлшектердің пішіні мен мөлшері күшейту күшіне күшті әсер етеді, өйткені бұл факторлар сіңіру және шашырау оқиғаларының арақатынасына әсер етеді. Бұл бөлшектер үшін идеалды мөлшер және әр тәжірибе үшін идеалды бет қалыңдығы бар. Егер концентрация мен бөлшек мөлшерін әр тәжірибеде жақсырақ реттеуге мүмкіндік болса, бұл субстраттардың құнын төмендетуге үлкен үлес қосады. Тым үлкен бөлшектер радиациялық емес көпполюстік қоздыруға мүмкіндік береді. Раман шашырауына тек дипольдік ауысу себеп болғандықтан, жоғары ретті ауысулар күшейтудің жалпы тиімділігін төмендетеді. Шағын бөлшектер электр өткізгіштігін жоғалтады және өрісті күшейте алмайды. Бөлшек мөлшері бірнеше атомға жақындағанда плазмонның анықтамасы қолданылмайды, себебі бірге тербелу үшін электрондардың үлкен жиынтығы болуы керек. Өзінің ерекше физикалық және химиялық қасиеттеріне байланысты екі өлшемді (2D) материалдар беттік күшейтілген Раман спектроскопиясы (SERS) үшін баламалы субстраттар ретінде үлкен назар аударуда. 2D материалдарды SERS субстраттары ретінде пайдалану дәстүрлі металл субстраттарға қарағанда бірнеше артықшылықтар ұсынады, оның ішінде жоғары сезімталдық, қайта жаңғыртылу және химиялық тұрақтылық. Графен – SERS қолданбалары үшін ең көп зерттелген 2D материалдардың бірі. Графеннің жоғары беттік ауданы, жоғары электронды жылдамдығы және тамаша химиялық тұрақтылығы бар, бұл оны SERS үшін тартымды субстратқа айналдырады. Графенге негізделген SERS сенсорларының жоғары қайталанатын және тұрақты екені көрсетілді, бұл оларды нақты қолданыстар үшін тартымды етеді. Графеннен басқа, SERS қолданбалары үшін басқа 2D материалдар, әсіресе MXenes зерттелді. MXenes жоғары беттік ауданымен, жақсы электр өткізгіштігімен және химиялық тұрақтылығымен ерекшеленеді, бұл оларды SERS қолданбалары үшін тартымды етеді. дәрілер және олардың метаболиттері.

Қолданбалар

SERS субстраттары аз мөлшердегі биомолекулалардың болуын анықтау үшін қолданылады, сондықтан олар дене сұйықтықтарындағы ақуыздарды анықтауға мүмкіндік береді. Панкреастық қатерлі ісіктің биомаркерлерін ерте анықтау SERS негізіндегі иммуноанализ тәсілі арқылы жүзеге асырылды. Бұл технология адам сарысуындағы уреа мен қан плазмасын маркерлеусіз анықтау үшін пайдаланылды және қатерлі ісікті анықтау мен скринингтің келесі буыны болуы мүмкін. Қоспаның құрамын нанодеңгейде талдау қабілеті SERS субстраттарын қоршаған ортаны талдау, фармацевтика, материалтану, өнер және археологиялық зерттеулер, сот-медициналық сараптама, есірткі және жарылғыш заттарды анықтау, азық-түлік сапасын бағалау және жалғыз балдыр жасушасын анықтау үшін тиімді етеді. SERS плазмоникалық сенсорлармен біріктірілгенде адам биосұйықтықтарындағы шағын молекулаларды жоғары сезімталдықпен сандық талдауға, биомолекулалық өзара әрекеттесуді сандық анықтауға, сэндвич-иммуноанализ платформалары арқылы төмен деңгейдегі қатерлі ісік биомаркерлерін анықтауға, экзосомаларды маркерлеусіз сипаттауға және жеке молекула деңгейіндегі тотығу-тотықсыздану процестерін зерттеуге қолданылуы мүмкін. SERS молекулалық жүйелер туралы құрылымдық ақпаратты анықтау үшін қуатты әдіс болып табылады. Ол жоғары сезімтал химиялық сенсорлар мен қоршаған ортаны талдау салаларында кең қолданыс тапқан. SERS-тің қазіргі және болашақ қолданыстары туралы шолу 2020 жылы жарияланды.

Таңдау ережелері

Беттік күшейтілген Раман спектроскопиясы термині, ол дәстүрлі Раман спектроскопиясымен бірдей ақпаратты қамтамасыз етеді, жай ғана сигналдың күрт күшейтілуімен ерекшеленеді дегенді білдіреді. Көптеген SERS эксперименттерінің спектрлері беттік күшейтілмеген спектрлерге ұқсас болғанымен, көбінесе байқалатын режимдер санында айырмашылықтар болады. Дәстүрлі Раман спектрінде кездеспейтін қосымша режимдер SERS спектрінде пайда болуы мүмкін, ал кейбір режимдер жоғалуы мүмкін. Кез келген спектроскопиялық экспериментте байқалатын режимдер молекулалардың симметриясымен анықталады және әдетте таңдау ережелерімен сипатталады. Молекулалар бетке адсорбцияланғанда, жүйенің симметриясы өзгеруі мүмкін, бұл молекуланың симметриясын сәл өзгертіп, режимдерді таңдаудағы айырмашылықтарға әкелуі мүмкін. Таңдау ережелерін өзгертудің кең таралған себебі – симметрия центрі бар көптеген молекулалар бетке сіңген кезде осы қасиетін жоғалтады. Симметрия центрінің жоғалуы өзара қосылмайтын ереже талаптарын жояды, ол режимдердің тек Раман немесе инфрақызыл активті болуын шектейді. Осылайша, еркін молекуланың инфрақызыл спектрінде ғана көрінетін режимдер SERS спектрінде де пайда болуы мүмкін.

Иммуноталдау

SERS-ке негізделген иммуноталдаулар төмен мөлшердегі биомаркерлерді анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Мысалы, антиденелер және алтын бөлшектерін сарысудағы белоктарды жоғары сезімталдық және ерекшелікпен сандық бағалау үшін пайдалануға болады.