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Si alguna vez ha tenido una conversación con un espectroscopista Raman sobre la viabilidad de una aplicación de detección de baja concentración, es probable que los haya escuchado decir "bueno, es posible que Raman no sea lo suficientemente sensible... ¡pero tal vez SERS funcione!” Pero, ¿cuál es la diferencia real entre estas dos técnicas y por qué se recomienda SERS (dispersión Raman mejorada en la superficie o, alternativamente, espectroscopia Raman mejorada en la superficie) para aplicaciones de baja concentración? Exploremos las diferencias técnicas entre las espectroscopias Raman y SERS, así como algunas de las consideraciones prácticas sobre cómo consideramos los datos de cada una.
En la espectroscopia Raman normal, una fuente de láser incide directamente sobre una muestra (Figura 1a). La luz láser es dispersada por los enlaces del analito, y la luz dispersada inelásticamente es recolectada y procesada en un espectro Raman. La naturaleza no destructiva de la técnica, la selectividad de las bandas Raman y la insensibilidad al agua hacen de Raman una herramienta analítica útil para estudios tanto cualitativos como cuantitativos de sistemas orgánicos e inorgánicos.
Sin embargo, durante décadas la espectroscopia Raman fue una técnica infrautilizada en aplicaciones del mundo real. Esto se puede atribuir a sus dos limitaciones principales: 1) la insensibilidad inherente de Raman, ya que solo ~ 1 en 106 los fotones incidentes se dispersan en raman; y 2) interferencia de emisión de fluorescencia, que depende de la naturaleza de la molécula del analito y de la longitud de onda de excitación utilizada. La fluorescencia es un fenómeno competitivo que es mucho más eficiente que la dispersión Raman y, por lo tanto, puede abrumar por completo la señal Raman.
Aunque dependen de la fuerza de dispersión de la molécula del analito y de la matriz de la muestra en cuestión, los límites típicos de detección para la dispersión Raman normal pueden oscilar entre ~1 y 10 % en concentración. Para ciertas aplicaciones, como la detección de enfermedades o la identificación de narcóticos, ¡este límite puede ser varios órdenes de magnitud más alto que lo que se requiere! En este caso, un científico de aplicaciones podría recomendar una medición SERS. El hardware requerido sería el mismo que para una medición Raman normal, pero se requiere un muestreo diferente para el análisis SERS. Para entender la diferencia, hablemos un poco sobre el efecto SERS.
En la década de 1970, varios grupos de investigación observaron que la señal Raman de moléculas orgánicas como la piridina aumentaba mucho cuando se adsorbía en un sustrato metálico rugoso (Figura 1b) [1–3]. Si bien surgieron varias teorías para explicar esta observación, hoy en día se acepta generalmente que el mecanismo de mejora es doble: el mecanismo de mejora electromagnética representa la contribución dominante, mientras que un mecanismo químico representa una porción más pequeña de la mejora.
El mecanismo de mejora electromagnética está habilitado por el uso de un sustrato nanometálico rugoso hecho de un metal noble (generalmente plata u oro) y la presencia de plasmones superficiales localizados, que son oscilaciones cuantificadas de los electrones de valencia del metal elegido. Cuando el láser excita el complejo muestra/nanosustrato, hace que los plasmones superficiales localizados entren en resonancia, o excita el “LSPR” (Figura 2).
En esta condición, se amplifican tanto la radiación de excitación del láser como la radiación dispersada de la muestra. las flechas en Figura 1b están en negrita para mostrar este aumento en magnitud.
Este mecanismo teóricamente puede explicar la mejora de la señal por factores tan grandes como 1011 [4]. El mecanismo químico implica transferencias de carga en resonancia con la longitud de onda de excitación del láser y, por lo general, representa un factor de mejora teórico de hasta 104 [5]. Estas transferencias de carga también pueden extinguir la fluorescencia que interfiere. Con los mecanismos de mejora combinados, podemos superar tanto la insensibilidad inherente como la interferencia de fluorescencia que limita la dispersión Raman normal. De hecho, hay estudios que han demostrado que SERS es capaz de detectar moléculas individuales [6,7]!
La fabricación de estas nanoestructuras ha sido un área creciente de investigación académica en las últimas dos décadas. Los sustratos SERS pueden incluir suspensiones coloidales, nanoesferas sólidas y chips de silicio recubiertos de metal. La mejora tiende a estar en su apogeo cuando la molécula del analito se coloca en una unión de nanoestructuras (también conocida como "punto de acceso" SERS), por lo que los investigadores pueden adaptar las formas y la actividad plasmónica de estos sustratos para alcanzar niveles aún mayores de mejora. para sus fines de investigación.
También hay sustratos SERS comerciales que están disponibles para comprar para usar en aplicaciones del mundo real. Estos sustratos están diseñados para ser fáciles de usar, flexibles y económicos, pero pueden no ser tan sensibles como los sustratos altamente ordenados. Ofrecemos un sustrato SERS basado en papel y un sustrato SERS basado en chip montado en un portaobjetos de vidrio.
Sustrato montado en diapositivas
Después de hablar con un científico de aplicaciones, los usuarios pueden determinar que un sustrato SERS disponible en el mercado es adecuado para su aplicación. Sin embargo, en otros puede ser necesaria una mayor sensibilidad para cumplir con los límites de detección de la aplicación. En este caso, los laboratorios universitarios locales que trabajan en nanofabricación pueden colaborar en las mediciones.
A menudo recibimos preguntas como "¿Podemos usar nuestra biblioteca de referencia Raman existente para analizar nuestro espectro SERS?" figura 3 muestra la diferencia entre un espectro Raman normal de fentanilo HCl y un espectro SERS de una solución saturada de fentanilo HCl sobre un sustrato SERS comercial.
El espectro Raman normal para el fentanilo contiene significativamente más picos que el espectro SERS correspondiente. Las bandas SERS también son notablemente más anchas que las bandas Raman normales. En el caso de los espectros SERS, no son únicamente los modos de vibración de la molécula los que se están probando, sino la muestra adsorbida al sustrato. Por lo tanto, también podemos observar algunos picos en un espectro SERS que se pueden atribuir únicamente al sustrato.
Debido a las diferencias entre un espectro SERS y un espectro Raman normal, en algunos casos puede ser difícil utilizar bibliotecas comerciales Raman para el análisis de espectros SERS. Alentamos a los usuarios que requieren identificación SERS a crear sus propias bases de datos espectrales SERS utilizando sus sustratos. También incluimos bibliotecas de narcóticos específicas de SERS en algunos de nuestros Productos Raman de mano TacticID. Para análisis de datos más complicados, también hay una amplia base de literatura SERS a la que recurrir.
Instrumentos Raman portátiles TacticID
En aplicaciones de detección de baja concentración, o instancias donde la fluorescencia supera su señal Raman, SERS es una técnica invaluable tanto para investigadores como para solucionadores de problemas del mundo real. Para obtener más información, visite nuestro sitio web.
Tus conocimientos para llevar
Referencias
[1] DL Jeanmaire y RP Van Duyne, j electroanal, química. 84, 1–20 (1977).
[2] M. Fleischmann, PJ Hendra, y A.J. McQuillan, química física Letón. 26, 163-166 (1974).
[3] mg Alberto y JA Creighton, j Soy. química Soc. 99 , 5215-5217 (1977).
[4] JP Camden , j A. Dieringer, y Wang, DJ Masiello, LD Marcas, CG Schatz, y PR Van Duyne, j Soy. química Soc. 130 , 12616–12617 (2008).
[5] r piloto, r. Signorini y L Fabris, “Espectroscopía Raman mejorada en superficie: principios, sustratos y aplicaciones”. En: Deepak FL, editor. Nanopartículas y Clusters Metálicos: Avances en Síntesis, Propiedades y Aplicaciones . Saltador; Cham, Suiza: 2018. págs. 89–164.
[6] JA Dieringer, RB Lettán, KA Scheidt y RP Van Duyne, j Soy. química Soc.129, 16249–16256 (2007).
[7] k Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, LT Perelman, I. Itzkán, RR Dasari y MS campo, física Rvdo. Letón. 78, 1667-1670 (1997).