Усиленная рамановская спектроскопия поверхности: принципы и механизмы

Введение

Спектроскопический метод

Спектроскопия Рамана с усилением на поверхности, или рассеяние Рамана с усилением на поверхности (SERS), – это поверхностно-чувствительный метод, который усиливает рассеяние Рамана молекулами, адсорбированными на шероховатых металлических поверхностях или наноструктурах, таких как плазмонные магнитные нанотрубки на основе диоксида кремния. Коэффициент усиления может достигать 10¹⁰–10¹¹, что позволяет обнаруживать отдельные молекулы.

Механизмы

Точный механизм эффекта усиления в SERS до сих пор остается предметом дискуссий в научной литературе. Существует две основные теории, и хотя их механизмы существенно различаются, экспериментальное разграничение этих теорий представляет собой сложную задачу. Электромагнитная теория предполагает возбуждение локализованных поверхностных плазмонов, а химическая теория – образование комплексов переноса заряда. Химическая теория базируется на резонансной Рамановской спектроскопии, в которой совпадение частот (или резонанс) энергии падающего фотона и электронного перехода значительно усиливает интенсивность рамановского рассеяния. Исследования 2015 года, посвященные более мощной модификации метода SERS, известной как SLIPSERS (Slippery Liquid Infused Porous SERS), предоставили дополнительные подтверждения электромагнитной теории.

Электромагнитная теория

Увеличение интенсивности сигнала Рамана для адсорбатов на определенных поверхностях обусловлено усилением электрического поля, создаваемого поверхностью. При попадании падающего света в эксперименте на поверхность, возбуждаются локализованные поверхностные плазмоны. Усиление поля максимально, когда частота плазмона, ωp, находится в резонансе с излучением (для сферических частиц). Для того чтобы произошло рассеяние, колебания плазмона должны быть перпендикулярны поверхности; если они лежат в плоскости поверхности, рассеяния не произойдет. Именно поэтому в экспериментах SERS обычно используются шероховатые поверхности или массивы наночастиц, поскольку они предоставляют область, в которой могут возникать эти локализованные коллективные колебания. Усиление SERS может происходить даже при относительно большом расстоянии между возбужденной молекулой и поверхностью, содержащей металлические наночастицы, обеспечивающие поверхностные плазмонные явления. Свет, падающий на поверхность, может возбуждать различные явления, однако сложность этой ситуации можно минимизировать, используя поверхности с элементами, значительно меньшими длины волны света, поскольку система будет учитывать только дипольный вклад. Дипольный член способствует плазмонным колебаниям, что приводит к усилению. Эффект SERS настолько выражен, поскольку усиление поля происходит дважды. Во-первых, усиление поля увеличивает интенсивность падающего света, который возбуждает рамановские моды исследуемой молекулы, тем самым увеличивая сигнал рамановского рассеяния. Затем сигнал Рамана дополнительно усиливается поверхностью за счет того же механизма, который возбудил падающий свет, что приводит к большему увеличению общего выхода. На каждом этапе электрическое поле усиливается пропорционально E2, что дает общее усиление E4. Усиление не одинаково для всех частот. Для частот, на которых сигнал Рамана лишь незначительно сдвинут относительно падающего света, как падающий лазерный свет, так и сигнал Рамана могут быть близки к резонансу с частотой плазмона, что приводит к усилению E4. При большом сдвиге частоты падающий свет и сигнал Рамана не могут одновременно находиться в резонансе с ωp, поэтому усиление на обеих стадиях не может быть максимальным. Выбор металла для поверхности также определяется частотой плазмонного резонанса. Видимое и ближнее инфракрасное излучение (NIR) используются для возбуждения рамановских мод. Серебро и золото являются типичными металлами для экспериментов SERS, поскольку их частоты плазмонного резонанса попадают в эти диапазоны длин волн, обеспечивая максимальное усиление видимого и NIR света. Спектр поглощения меди также находится в допустимом диапазоне для экспериментов SERS. Наноструктуры из платины и палладия также демонстрируют плазмонный резонанс в видимых и NIR частотах.

The increase in intensity of the Raman signal for adsorbates on particular surfaces occurs because of an enhancement in the electric field provided by the surface. When the incident light in the experiment strikes the surface, localized surface plasmons are excited. The field enhancement is greatest when the plasmon frequency, ωp, is in resonance with the radiation ( for spherical particles). In order for scattering to occur, the plasmon oscillations must be perpendicular to the surface; if they are in plane with the surface, no scattering will occur. It is because of this requirement that roughened surfaces or arrangements of nanoparticles are typically employed in SERS experiments as these surfaces provide an area on which these localized collective oscillations can occur. SERS enhancement can occur even when an excited molecule is relatively far apart from the surface which hosts metallic nanoparticles enabling surface plasmon phenomena. The light incident on the surface can excite a variety of phenomena in the surface, yet the complexity of this situation can be minimized by surfaces with features much smaller than the wavelength of the light, as only the dipolar contribution will be recognized by the system. The dipolar term contributes to the plasmon oscillations, which leads to the enhancement. The SERS effect is so pronounced because the field enhancement occurs twice. First, the field enhancement magnifies the intensity of incident light, which will excite the Raman modes of the molecule being studied, therefore increasing the signal of the Raman scattering. The Raman signal is then further magnified by the surface due to the same mechanism that excited the incident light, resulting in a greater increase in the total output. At each stage the electric field is enhanced as E2, for a total enhancement of E4. The enhancement is not equal for all frequencies. For those frequencies for which the Raman signal is only slightly shifted from the incident light, both the incident laser light and the Raman signal can be near resonance with the plasmon frequency, leading to the E4 enhancement. When the frequency shift is large, the incident light and the Raman signal cannot both be on resonance with ωp, thus the enhancement at both stages cannot be maximal. The choice of surface metal is also dictated by the plasmon resonance frequency. Visible and near infrared radiation (NIR) are used to excite Raman modes. Silver and gold are typical metals for SERS experiments because their plasmon resonance frequencies fall within these wavelength ranges, providing maximal enhancement for visible and NIR light. Copper's absorption spectrum also falls within the range acceptable for SERS experiments. Platinum and palladium nanostructures also display plasmon resonance within visible and NIR frequencies.

Химическая теория

Резонансная спектроскопия Рамана объясняет значительное усиление интенсивности рассеяния Рамана. Межмолекулярные и внутримолекулярные переносы заряда существенно усиливают пики рамановского спектра. Особенно сильно усиление проявляется для частиц, адсорбированных на металлической поверхности, благодаря высокой интенсивности переноса заряда с широкой зоны проводимости металла на адсорбированные частицы. Это резонансное усиление Рамана является доминирующим в SERS для частиц на небольших нанокластерах с заметной шириной запрещенной зоны.

Поверхности

В то время как SERS может выполняться в коллоидных растворах, сегодня наиболее распространенным методом проведения измерений SERS является нанесение жидкого образца на кремниевую или стеклянную поверхность с наноструктурированной поверхностью из благородного металла. Первые эксперименты проводились на электрохимически шероховатом серебре, а также с использованием литографии или пористого кремния в качестве подложки. Двумерные кремниевые наностолбики, декорированные серебром, также использовались для создания SERS-активных подложек. Наиболее распространенными металлами, используемыми для плазмонических поверхностей в видимом диапазоне SERS, являются серебро и золото; однако, алюминий в последнее время изучается как альтернативный плазмонический материал, поскольку его плазмонный резонанс находится в УФ-области, в отличие от серебра и золота. Следовательно, существует большой интерес к использованию алюминия для УФ-SERS. Однако, как ни странно, было обнаружено, что он также демонстрирует значительное усиление в инфракрасном диапазоне, что пока не полностью объяснено. В последнее десятилетие было признано, что стоимость SERS-подложек необходимо снизить, чтобы эта методика стала широко используемой в аналитической химии. Для удовлетворения этой потребности плазмоническая бумага привлекла широкое внимание, и высокочувствительные SERS-подложки создаются с использованием таких подходов, как пропитка, синтез in situ, трафаретная печать и струйная печать. Форма и размер металлических наночастиц сильно влияют на величину усиления, поскольку эти факторы определяют соотношение между поглощением и рассеянием. Для этих частиц существует оптимальный размер и оптимальная толщина покрытия для каждого эксперимента. Более точная настройка концентрации и размера частиц для каждого эксперимента существенно снизит стоимость подложек. Слишком крупные частицы возбуждают мультиполи, которые являются нерадиационными. Поскольку только дипольное излучение приводит к рассеянию Рамана, переходы более высокого порядка снижают общую эффективность усиления. Слишком мелкие частицы теряют электропроводность и не могут усиливать поле. Когда размер частицы приближается к нескольким атомам, понятие плазмона теряет смысл, поскольку для согласованных колебаний требуется большое количество электронов. Благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам, двумерные (2D) материалы привлекли значительное внимание как альтернативные подложки для спектроскопии поверхностно-усиленного рассеяния Рамана (SERS). Использование 2D-материалов в качестве SERS-подложек имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными металлическими подложками, включая высокую чувствительность, воспроизводимость и химическую стабильность. Графен – один из наиболее изученных 2D-материалов для SERS-приложений. Графен обладает большой площадью поверхности, высокой подвижностью электронов и отличной химической стабильностью, что делает его привлекательной подложкой для SERS. Датчики SERS на основе графена также показали высокую воспроизводимость и стабильность, что делает их перспективными для практического применения. Помимо графена, для SERS-приложений исследуются и другие 2D-материалы, особенно MXenes. MXenes обладают большой площадью поверхности, хорошей электропроводностью и химической стабильностью, что делает их привлекательными для SERS-приложений, в частности, для анализа лекарственных средств и их метаболитов.

While SERS can be performed in colloidal solutions, today the most common method for performing SERS measurements is by depositing a liquid sample onto a silicon or glass surface with a nanostructured noble metal surface. While the first experiments were performed on electrochemically roughened silver, as well as using lithography or porous silicon as a support. Two dimensional silicon nanopillars decorated with silver have also been used to create SERS active substrates. The most common metals used for plasmonic surfaces in visible light SERS are silver and gold; however, aluminium has recently been explored as an alternative plasmonic material, because its plasmon band is in the UV region, contrary to silver and gold. Hence, there is great interest in using aluminium for UV SERS. It has, however, surprisingly also been shown to have a large enhancement in the infrared, which is not fully understood. In the current decade, it has been recognized that the cost of SERS substrates must be reduced in order to become a commonly used analytical chemistry measurement technique. To meet this need, plasmonic paper has experienced widespread attention in the field, with highly sensitive SERS substrates being formed through approaches such as soaking, in situ synthesis, screen printing and inkjet printing. The shape and size of the metal nanoparticles strongly affect the strength of the enhancement because these factors influence the ratio of absorption and scattering events. There is an ideal size for these particles, and an ideal surface thickness for each experiment. If concentration and particle size can be tuned better for each experiment this will go a long way in the cost reduction of substrates. Particles that are too large allow the excitation of multipoles, which are nonradiative. As only the dipole transition leads to Raman scattering, the higher order transitions will cause a decrease in the overall efficiency of the enhancement. Particles that are too small lose their electrical conductance and cannot enhance the field. When the particle size approaches a few atoms, the definition of a plasmon does not hold, as there must be a large collection of electrons to oscillate together. Due to their unique physical and chemical properties, two dimensional (2D) materials have gained significant attention as alternative substrates for surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). The use of 2D materials as SERS substrates offers several advantages over traditional metal substrates, including high sensitivity, reproducibility, and chemical stability. Graphene is one of the most widely studied 2D materials for SERS applications. Graphene has a high surface area, high electron mobility, and excellent chemical stability, making it an attractive substrate for SERS. Graphene based SERS sensors have also been shown to be highly reproducible and stable, making them attractive for real world applications. In addition to graphene, other 2D materials, especially MXenes, have also been investigated for SERS applications. MXenes have a high surface area, good electrical conductivity, and chemical stability, making them attractive for SERS applications. drugs and their metabolites.

Приложения

Субстраты SERS используются для обнаружения биомолекул в низкой концентрации и, следовательно, могут обнаруживать белки в биологических жидкостях. Раннее выявление биомаркеров рака поджелудочной железы было достигнуто с помощью иммуноанализа на основе SERS. Эта технология применялась для обнаружения мочевины и плазмы крови без мечения в сыворотке человека и может стать следующим поколением технологий для обнаружения и скрининга рака. Возможность анализа состава смеси на наноуровне делает субстраты SERS полезными для экологического анализа, фармацевтики, материаловедения, исследований в области искусства и археологии, судебной экспертизы, обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ, анализа качества пищевых продуктов и обнаружения отдельных клеток водорослей. SERS, в сочетании с плазмонным зондированием, может использоваться для высокочувствительного количественного анализа малых молекул в биожидкостях человека, количественного определения биомолекулярных взаимодействий, обнаружения низкоуровневых биомаркеров рака посредством сэндвич-иммуноанализа, бесконтактной характеристики экзосом и изучения окислительно-восстановительных процессов на уровне отдельных молекул. SERS является мощным методом для определения структурной информации о молекулярных системах. Он нашел широкое применение в ультрачувствительных химических сенсорах и экологическом анализе. Обзор современных и перспективных применений SERS был опубликован в 2020 году.

Правила отбора

Термин «поверхностно-усиленная спектроскопия Рамана» подразумевает, что она предоставляет ту же информацию, что и традиционная спектроскопия Рамана, но с существенно усиленным сигналом. Хотя спектры большинства SERS-экспериментов схожи со спектрами без поверхностного усиления, часто наблюдаются различия в количестве присутствующих мод. В спектре SERS могут появляться дополнительные моды, отсутствующие в традиционном спектре Рамана, в то время как другие моды могут исчезать. Наблюдаемые в любом спектроскопическом эксперименте моды определяются симметрией молекул и обычно описываются правилами отбора. Когда молекулы адсорбируются на поверхности, симметрия системы может изменяться, незначительно модифицируя симметрию молекулы, что может приводить к различиям в отборе мод. Один из распространенных механизмов изменения правил отбора связан с тем, что многие молекулы, обладающие центром симметрии, теряют это свойство при адсорбции на поверхности. Потеря центра симметрии снимает ограничения, накладываемые правилом взаимного исключения, которое определяет, что моды могут быть активны либо только в рамановском, либо только в инфракрасном спектре. Таким образом, моды, которые обычно проявляются только в инфракрасном спектре свободной молекулы, могут наблюдаться в спектре SERS.

Иммуноанализы

Иммуноанализы на основе SERS могут быть использованы для обнаружения биомаркеров низкой распространенности. Например, антитела и золотые наночастицы могут быть использованы для количественного определения белков в сыворотке с высокой чувствительностью и специфичностью.