Підсилена поверхнею раманівська спектроскопія

Підсилена поверхнею раманівська спектроскопія (англійське скорочення SERS) — чутливий до властивостей поверхні метод підсилення раманівського розсіяння молекулами, адсорбованими на шорсткій поверхні металу або на наноструктурах^[1]. Підсилення може досягати значень 10¹⁰ — 10^11[2][3], що створює можливість детектувати окремі молекули^[4][5].

Підсилення поверхнею інтенсивності раманівського розсіяння вперше спостерігали на молекулі піридину, адсорбованій на поверхні срібла, якій було надано шорсткість електрохімічним способом Мартін Флейшман, Патрік Гендра та Джеймс Маккіллан з Саутгемптонського університету 1973 року^[6]. У першій публікації наводиться підсилення в понад 4000 разів. 1977 року дві групи незалежно одна від одної прийшли до висновку, що збільшення концентрації розсіювачів не може пояснити підсилення сигналу. Кожна з цих груп запропонувала свій механізм підсилення, які й досі наводяться при поясненні цього ефекту. Жанмер та Ван Дойне^[7] запропонували механізм електромагнітного підсилення, а Альбрехт та Крейтон^[8] — механізм переносу заряду.

Механізм підсилення досі точно не встановлено. Щодо нього в науковій літературі тривають дебати. Дві основні теорії пропонують різні механізми, але експериментально розрізнити їх не так просто. Електромагнітна теорія пов'язує підсилення із збудженням поверхневих плазмонів, а хімічна теорія зв'язує його з утворенням комплексів із переносом заряду. Хімічна теорія застосовна до молекул, що утворюють хімічний зв'язок з поверхнею, тож їй не до снаги пояснити всі експериментально зареєстровані випадки підсилення, а електромагнітна теорія застосовна тільки тоді, коли відбувається тільки фізисорбція молекули до поверхні. Недавній експеримент показав, що підсилення раманівського розсіяння відбувається й тоді, коли збуджені молекули перебувають відносно далеко від поверхні, на якій лежать металеві наночастинки, завдяки яким проявляється плазмонний ефект^[9]. Це спостереження надає сильну підтримку електромагнітній теорії. Дослідження 2015 року з застосуванням потужнішого методу SLIPSERS^[10] надало нові аргументи на користь електромагнітної теорії^[11].

Збільшення інтенсивності раманівського сигналу для адсорбатів на конкретних поверхнях відбувається внаслідок зумовленого поверхнею зростання електричного поля. Коли світло відбивається від нерівної поверхні, збуджуються локалізовані плазмони. Підсилення поля максимальне тоді, коли частота випромінювання потрапляє в резонанс із частотою поверхневого плазмона (${\displaystyle \omega =\omega _{p}/{\sqrt {3}}}$ для сферичних частинок, ${\displaystyle \omega _{p}}$ — плазмова частота). Для того, щоб відбулося розсіяння плазомонні коливання повинні бути перпендикулярними до поверхні; якщо вони паралельні до неї, розсіяння не відбувається. Саме через цю вимогу в експериментах із SERS, зазвичай використовуються шорсткі поверхні або структури з наночастинок, оскільки такі поверхні надають області, в яких можливі локалізовані колективні коливання^[12]. Потік світла на поверхню може спричинити на ній значне число різних явищ, але ситуація спрощується, коли нерівності на поверхні набагато менші від довжини світла, і найважливішим стає дипольний вклад у розсіяння. Наведені диполі пов'язані з плазмовими коливаннями, що призводить до підсилення локального поля. Раманівське розсіяння підсилюється настільки сильно, тому що збільшення інтенсивності електомагнітної хвилі відбувається двічі. У першу чергу підсилюється електрична складова хвилі, що падає на поверхню і збуджує раманівські моди в адсорбованій молекулі, що збільшує раманівський сигнал. Поле розсіяної на молекулі хвилі підсилюється поверхнею ще раз, що в підсумку знову збільшує ефект. На кожній з цих двох стадій електричне поле підсилюється як E², і сумарне підсилення пропорційне E^4[13].

Підсилення не однакове для всіх частот. Для світлової хвилі, для якої комбінаційно розсіяний сигнал лише трохи зміщений за частотою від частоти хвилі, що освітлює молекулу на поверхні, обидві хвилі, як та, що падає, так і розсіяна, можуть потрапити в резонанс із плазмовими коливанням, тоді підсилення розсіяння буде пропорційне E⁴. Якщо зміщення частоти велике, то обидві хвилі не можуть одночасно бути в резонансі з плазмовими коливаннями, а тому підсилення не може бути одночасно максимальним^[14].

Резонанс із плазмонами також диктує вибір поверхні. Для збудження раманівських мод використовується світло видимого та близького інфрачервоного діапазонів. Зазвичай для експериментів із підсиленого поверхнею раманівського розсіяння використовують срібло та золото оскільки для них плазмонний резонанс припадає на цей діапазон частот, а тому можна досягнути максимального підсилення. Спектр поглинання міді також потрапляє в потрібний для SERS діапазон^[15]. Наноструктури платини та паладію теж мають плазмові резонанси в видимому та близькому інфрачервоному діапазонах^[16].

Електромагнітна теорія підсилення працює для будь-якої молекули, але вона не може повністю пояснити величину ефекту в усіх дослідах. Для багатьох молекул, особливо тих, що мають пари електронів, які не утворюють зв'язків у молекулі, а тому можуть прив'язувати її до поверхні, можливий інший механізм підсилення, в якому поверхневі плазмони не відіграють вирішальної ролі. Цей хімічний механізм ґрунтується на переносі заряду між хемісорбованою молекулою та поверхнею металу. Хімічний механізм працює тільки для особливих молекул і мабуть доповнює електромагнітний^[17][18].

Для багатьох молекул перехід між вищою заповненою та нижчою незаповненою орбіталями потребує більше енергії. ніж енергія квантів світла, що використовується в експериментах із раманівського розсіяння. Коли ВЗМО та НВМО адсорбата розташовані симетрично щодо рівня Фермі металу, для переходу можна використати світло з половинною частотою, бо метал, на який переноситься заряд, може працювати посередником^[14].

SERS можна спостерігати в колоїдних розчинах, проте найпоширенішим методом спостереження підсилення поверхнею раманівського розсіяння є нанесення рідини на поверхню кремнію чи скла з наноструктурами благородних металів. Перші експерименти проводилися на сріблі, поверхню якого робили шорсткою електрохімічним способом^[19], а тепер поверхні часто готують наносячи них металеві наночастинки^[20], або ж використовуючи літографію^[21]. Застосовуються також пористі підкладки^[22][23]. Застосовувався ще інший спосіб — утворення на поверхні наностовпчиків, декорованих сріблом^[24]. Широковживаною методикою є нанесення на кремнієву підкладку тонкого шару срібла, чого досягають зануренням її в насичений розчин нітрату срібла в n-октанолі^[25]. Із металів найчастіше використовують срібло та золото, однак пробували також алюміній, тому що його плазмова частота, на відміну від срібла та золота лежить в ультрафіолеті ^[26]. Цим зумовлений інтерес до використання алюмінію для SERS ультрафіолетового діапазону. На диво алюміній дає значне підсилення і в інфрачервоному діапазоні, що незрозуміло^[27].

За останні десятиліття стало зрозуміло, що витрати на виробництво підкладок для SERS повинні бути значно зменшені для широкого використання в аналітичній хімії^[28]. Цьому питанню надається багато уваги в дослідженнях, використовуються такі підходи як вимочування^[29][30][31], синтез in-situ^[32][33], трафаретний друк^[34], струйний друк^[35][36][37]

На підсилення сильно впливають форма та розміри наночастинок, оскільки ці фактори визначають відношення ймовірностей поглинання та розсіяння^[38][39]. Для кожного експерименту існують свої найкращі розміри нарочастинок та найкраща товщина поверхневої плівки^[40]. Частинки, надто великі для збудження мультиполів, не випромінюють. Оскільки тільки дипольні переходи призводять до раманівського розсіяння, переходи вищих порядків зменшують загальну інтенсивність підсилення. Надто маленькі частинки втрачають провідність і не можуть підсилювати поле. Коли розмір частинки наближається до кількох атомів, визначення плазмона втрачає сенс, оскільки для нього потрібно, щоб разом узгоджено коливалося багато електронів^[13].

Ідеальна поверхня для SERS повинна бути дуже однорідною й давати високе підсилення поля. Такі поверхні можна робити на кремнієвій підкладці великих розмірів. Такі плазмонні метаповерхні високої якості дозволили мікроскопію надвисокої роздільної здатності, що використовує флуктуації підсиленого поверхнею раманівського розсіяння^[41].

Поверхні з наночастинками, підготовлені для детектування раманіського розсіяння, використовуються для детектування рідкісних біомолекул, а тому можуть визначати присутність білків та біологічних рідин^{[42][43][44][45]}. Таку методику використовували для виявлення сечовини та плазми крові, її можна розглядати як кандидат на нове покоління методів діагностики раку^[44][45]. Здатність аналізувати склад суміші на нанорівні робить підготовлених до SERS поверхонь перспективними в дослідженнях довкілля, фармацевтиці, матеріалознавстві мистецтві та археологічних дослідженнях, при аналізі речових дослідів, для виявлення наркотичних речовин та вибухових матеріалів, аналізі якості харчових продуктів^[46], детектування окремих клітин водоростей^[47][48][49]. Підсилене поверхнею раманівське розсіяння в поєднанні з плазмонними елементами може використовуватися для високочутливих методик виявлення взаємодії між біомолекулами^[50].

SERS можна використовувати для виявлення специфічних послідовностей ДНК та РНК, поєднуючи золоті та срібні наночастинки з раман-активними барвниками на кшталт Cy3. За допомогою цієї методики можна ідентифікувати однонуклеотидний поліморфізм. Золоті наночастини полегшують формування срібного покриття відзначених барвником ділянок ДНК чи РНК, створюючи можливість використання раманівської методики. Тут можливі різні засовування: наприклад Цао та інші повідомляють, що послідовність генів збудників ВІЛ, еболи, гепатиту та ящура можна з певністю ідентифікувати такою методикою, що має перевагу над флуоресцентними методами, оскільки деякі флуоресцентні маркери впливають на дію інших маркерів генів. Перевага такої методики в тому. що кілька раманівських барвників доступні комерційно, що може сприяти розвитку таких проб для детектування генів, що не перекривалися б з іншими^[51].

Термін підсилена поверхнею раманівська спектроскопія мав би означати, що отримана інформація аналогічна традиційній раман-спектроскопії, тільки сигнал сильніший. Для більшості молекул так і є, спектри, підсилені поверхнею, не відрізняються від традиційних, але кількість зареєстрованих мод може бути іншою. У підсиленому поверхнею спектрі можуть спостерігатися нові моди, а інші моди можуть зникати. Моди, які реєструє будь-який спектроскопічний експеримент, визначаються симетрією молекули. Зазвичай їх класифікують, визначаючи правила відбору. За умов адсорбції молекули на поверхні симетрія системи змінюється, дещо модифікуючи симетрію самої молекули, що призводить до зміни мод, з якими взаємодіє світло^[52]. Одна зміна спільна для багатьох молекул із центром симетрії — адсорбуючись на поверхні вони втрачають цю властивість. Втрата центру симетрії знімає необхідність виконання правила взаємного виключення, яке стверджує, що вільні молекули можуть давати внесок або тільки в раманівський, або тільки в інфрачервоний спектр. Тому в підсиленому поверхнею спектрі можуть фігурувати моди, які зазвичай спостерігаються тільки в інфрачервоних спектрах^[12].

Симетрія молекули змінюється по різному, в залежності від того, як вона прилипла до поверхні. У деяких експериментах можливо визначити орієнтацію адсорбованої молекули, аналізуючи підсилений поверхнею раманівський спектр, оскільки, в залежності від орієнтації молекули, в ньому проявлятимуться різні моди^[53].