Instrumentação Raman Portátil para Aplicações SERS

A espectroscopia Raman intensificada por superfície (SERS) tem atraído atenção significativa nos últimos anos devido ao crescente interesse em detecção em nível de traços em aplicações como segurança ambiental, segurança alimentar e segurança nacional. O número mundial de publicações sobre SERS saltou de aproximadamente 3.000 para 25.000 entre os anos de 2000 e 2011[1]. O desenvolvimento da tecnologia SERS é impulsionado pela necessidade de superar a barreira técnica do limite de detecção inferior da espectroscopia Raman, bem como pela necessidade de detecção em nível de traços de compostos explosivos, resíduos químicos e diagnósticos biomédicos.

Acredita-se amplamente que os mecanismos de intensificação de superfície são principalmente resultado de ressonâncias eletromagnéticas entre as oscilações coletivas de plásmons em partículas metálicas e o campo óptico incidente, ou de intensificação química por meio do aumento da polarização molecular após o acoplamento com a superfície metálica[2]. Com os avanços da nanotecnologia, a tecnologia SERS entrou em uma era em que os chips SERS são fabricados com nanoestruturas altamente controladas sobre um substrato, utilizando metais como ouro ou prata. Outro tipo de SERS é baseado em solução, que utiliza soluções coloidais de partículas de prata ou ouro.

Para desenvolvedores de SERS ou usuários finais de SERS interessados em uma aplicação específica de SERS, o ponto central de sua plataforma experimental ou tecnológica deve ser um sistema Raman que ofereça desempenho confiável de nível laboratorial e seja acessível e portátil, permitindo enfrentar problemas do mundo real. A nova geração de espectrômetros Raman portáteis dispersivos aproximou o SERS um passo mais das aplicações reais. Devido à pequena área do substrato SERS (~5x5 mm²) onde uma minúscula gota da solução de amostra é depositada, o foco preciso do laser sobre a superfície é um requisito essencial para a instrumentação Raman. Embora os sistemas Raman microscópicos de bancada atendam a esse requisito, o fato de tais instrumentos não poderem ser transportados impede que os desenvolvedores de SERS transfiram suas tecnologias para ambientes como linhas de produção, testes de campo ou locais de diagnóstico onde a análise SERS deve ser realizada. O alto custo de um micro-Raman de bancada também limita a adoção do SERS para aplicações reais.

O sistema Raman portátil B&W Tek i-Raman Plus, combinado com o acessório de amostragem por vídeo-microscópio BAC151 dentro de um invólucro laser Classe 1 BAC152, é uma configuração ideal para análise SERS. Para SERS baseado em solução, se a medição for realizada diretamente através do frasco de solução, o Raman cuvette holder pode ser utilizado com o i-Raman Plus.

Alta relação sinal-ruído para o melhor limite de detecção

O B&W Tek i-Raman Plus possui um detector CCD back-thinned (afinado por trás) com resfriamento termoelétrico (TE) a -2 °C. Em comparação com um CCD convencional de iluminação frontal, com eficiência quântica de 50%, a eficiência quântica do CCD back-thinned pode chegar a 90%. Devido à baixa eficiência do fenômeno Raman (10⁻⁸), é importante que o ruído eletrônico dos detectores CCD esteja em níveis muito baixos em relação ao sinal Raman. O resfriamento TE do dispositivo CCD reduz efetivamente o ruído: o ruído de fundo (dark noise) é reduzido pela metade a cada redução de 7 °C na temperatura do dispositivo. O detector resfriado do i-Raman Plus permite tempos de integração longos, de até 30 minutos. Isso aumenta consideravelmente o limite de detecção e viabiliza aplicações de baixa luminosidade, como o SERS. O comprimento de onda do laser de 785 nm deve ser utilizado para redução de fluorescência.

Alta resolução para separar os picos do substrato e da amostra

Em alguns chips SERS, existem picos Raman intrínsecos provenientes da superfície SERS em branco. Quando os picos Raman do material da amostra estão próximos dos picos do substrato SERS em branco, é fundamental que os picos Raman da amostra possam ser separados dos picos do chip SERS. A resolução espectral do sistema i-Raman Plus 785S é de 4,5 cm⁻¹, o que proporciona capacidade adequada de resolução para diferenciar dois picos muito próximos entre si. A Figura 2 mostra um exemplo de dois picos próximos, sendo um pico (641 cm⁻¹) associado ao SERS em branco e outro pico (625 cm⁻¹) associado à solução de amostra intensificada por SERS.

Tamanho reduzido do feixe de laser e controle preciso de foco

Como os chips SERS costumam ser muito pequenos, é necessário um feixe de laser de tamanho reduzido e um controle preciso de foco. O acessório de amostragem por vídeo-microscópio BAC151, acoplado ao i-Raman Plus, proporciona um tamanho de feixe de laser de 21 μm a 210 μm, dependendo das lentes objetivas com diferentes ampliações utilizadas. A Tabela 1 mostra o tamanho do feixe de laser e a distância de trabalho conforme a ampliação da lente objetiva varia de 10x a 100x.

Segurança do laser e bloqueio de interferência de luz ambiente

Como muitos tipos de chips SERS geram reflexão especular de luz quando o feixe de laser de excitação é direcionado à superfície SERS, é necessário um invólucro capaz de bloquear os feixes de laser refletidos e, ao mesmo tempo, impedir a interferência da luz ambiente. Para isso, o BAC152 oferece um invólucro laser Classe 1 que garante a segurança do laser e o bloqueio necessário da luz ambiente.

Raman vs SERS… Qual é a diferença?

1. B. Sharma, R.R. Frontiera, A.I. Henry, E. Ringe, and R.P. Van Duyne, Materials Today, 2012, 15(1-2), 16-25.

2. S. Botti, S. Almaviva, L. Cantarini, A. Palucci, A. Puiu and A. Rufoloni, J. Raman Spectroscopy, 2013, 44, 463–468.