La Spettroscopia Raman amplificata dalla superficie (SERS) ha attirato una notevole attenzione negli ultimi anni a causa del crescente interesse per il rilevamento di tracce in campo per applicazioni come la sicurezza ambientale, la sicurezza alimentare e la sicurezza nazionale. Il numero mondiale di pubblicazioni SERS è passato da circa 3000 a 25.000 tra il 2000 e il 2011[1]. Lo sviluppo della tecnologia SERS è guidato dalla necessità di superare la barriera tecnica del limite di rilevamento inferiore con la spettroscopia Raman, nonché dalla necessità di rilevare tracce di composti esplosivi, residui chimici e diagnostica biomedica.
È un'opinione diffusa che i meccanismi di amplificazione del segnale siano principalmente il risultato di risonanze elettromagnetiche tra le oscillazioni collettive dei plasmoni nelle particelle metalliche e il campo ottico incidente o di potenziamento chimico attraverso l'aumento della polarizzazione della molecola dopo l'accoppiamento con la superficie metallica [2]. Con i progressi della nanotecnologia, la tecnologia SERS è entrata in un'era in cui i chip SERS sono realizzati con nanostrutture altamente controllate su un substrato che utilizza metalli come oro o argento. Un altro tipo di SERS è basato su soluzioni che utilizza soluzioni colloidali di particelle d'argento o d'oro.
Per gli sviluppatori SERS o gli utenti finali di SERS interessati a una specifica applicazione SERS, il fulcro della loro piattaforma sperimentale o tecnologica deve essere una configurazione Raman che fornisce prestazioni affidabili come uno strumento da laboratorio ed è conveniente e portatile, consentendo loro di affrontare i problemi del mondo reale. La nuova generazione di spettrometri Raman portatili dispersivi ha portato SERS un passo più vicino alle applicazioni del mondo reale. A causa della piccola area del substrato SERS (~5x5 mm2) in cui viene depositata una minuscola gocciolina di soluzione campione, un'accurata focalizzazione laser sulla superficie è un requisito essenziale per la strumentazione Raman. Sebbene i sistemi Raman microscopici da banco soddisfino questo requisito, il fatto che tali strumenti non possano essere spostati impedisce agli sviluppatori SERS di trasferire le loro tecnologie ad ambienti come linee di produzione, test sul campo o luoghi diagnostici in cui è prevista l'analisi SERS. L'alto costo di un micro-Raman da banco limita anche l'adozione di SERS per applicazioni del mondo reale.
B&W Tek i-Raman Plus sistema Raman portatile accoppiato con BAC151 l'accessorio di campionamento per videomicroscopio all'interno di un involucro di Classe 1 laser BAC152 è una configurazione ideale per l'analisi SERS. Per il SERS basato su soluzione, se la misurazione viene condotta direttamente attraverso la fiala di soluzione, il BCR100A portacuvette Raman può essere utilizzato con i-Raman Plus.
Elevato rapporto segnale/rumore per il miglior limite di rilevabilità
Il B&W Tek i-Raman Plus è dotato di un rilevatore CCD retro illuminato con raffreddamento TE fino a -2 °C. Rispetto a un CCD con illuminazione frontale convenzionale con un'efficienza quantistica al 50%, l'efficienza quantistica del CCD retro-illuminato può raggiungere fino al 90%. A causa della bassa efficienza del fenomeno Raman (10-8), è importante che il rumore elettronico per i rivelatori CCD sia a livelli molto bassi rispetto al segnale Raman. Il TE-raffreddamento del dispositivo CCD riduce efficacemente il rumore: il rumore scuro si dimezza ogni 7 °C di diminuzione della temperatura del dispositivo. Il rilevatore raffreddato nell'i-Raman Plus consente lunghi tempi di integrazione fino a 30 minuti. Ciò aumenta notevolmente il limite di rilevavilità e rende fattibili le applicazioni a basso livello di luce come SERS. La lunghezza d'onda del laser di 785 nm deve essere utilizzata per la riduzione della fluorescenza.
Alta risoluzione per risolvere i picchi del substrato e del campione
Per alcuni chip SERS, ci sono picchi Raman intrinseci dalla superficie vuota del SERS. Quando i picchi Raman del materiale campione si trovano in prossimità dei picchi del substrato SERS bianco, è fondamentale che i picchi Raman del campione possano essere separati dai picchi del chip SERS. La risoluzione spettrale per il sistema i-Raman Plus 785S è di 4,5 cm-1, che fornisce un'adeguata capacità di risoluzione per differenziare due picchi posizionati molto vicini.La figura 2 mostra un esempio di due picchi ravvicinati, con un picco (641 cm-1) associato al grezzo SERS e un picco (625 cm-1) associato alla soluzione campione potenziata da SERS.
Dimensioni ridotte del raggio laser e controllo accurato della messa a fuoco
A causa del fatto che i chip SERS sono spesso di dimensioni molto ridotte, sono necessari un raggio laser di dimensioni ridotte e un controllo accurato della messa a fuoco del laser. L'accessorio di campionamento videomicroscopio BAC151 accoppiato con il i-Raman Plus fornisce una dimensione del raggio laser da 21 μm fino a 210 μm quando si utilizzano obiettivi con diversi ingrandimenti.La Tabella 1 visualizza la dimensione del raggio laser e la distanza di lavoro quando l'ingrandimento della lente dell'obiettivo cambia da 10x a 100x.
| Ingrandimento dell'obiettivo | Distanza di lavoro (mm) | Dimensione del punto del raggio laser (μm) |
|---|---|---|
| 10 volte |
16 | 210 |
| 20 volte | 12 | 105 |
| 50 volte |
9,15 | 42 |
| 100 volte | 3,2 | 21 |
Sicurezza laser e blocco dell'interferenza della luce ambientale
Poiché molti tipi di chip SERS generano luce riflettente speculare quando il raggio laser di eccitazione viene diretto sulla superficie del SERS, è necessario disporre di un involucro in grado di schermare i raggi laser riflessi e allo stesso tempo bloccare le interferenze dalla luce ambientale. Per questo, il BAC152 fornisce un involucro laser di Classe 1 per la sicurezza del laser e anche il necessario blocco della luce ambientale.
Il sistema Raman portatile B&W Tek i-Raman Plus accoppiato con un accessorio di campionamento per videomicroscopio BAC151 all'interno di un involucro laser Classe 1 BAC152 fornisce una configurazione ideale per le applicazioni SERS. Questa configurazione fornisce non solo un rapporto segnale/rumore elevato per il miglior limite di rilevabilità e un'alta risoluzione per risolvere i picchi, ma anche la dimensione del raggio laser piccola e regolabile insieme a un controllo accurato della messa a fuoco. Ultimo ma certamente non meno importante, l'involucro laser di Classe 1 fornisce la necessaria sicurezza laser eliminando allo stesso tempo le interferenze della luce ambientale.
B. Sharma, RR Frontiera, AI Henry, E. Ringe e RP Van Duyne, Materiali oggi, 2012, 15(1-2), 16-25.
S. Botti, S. Almaviva, L. Cantarini, A. Palucci, A. Puiu e A. Rufoloni, J. Spettroscopia Raman, 2013, 44, 463–468.
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