Chia sẻ bài viết
Nếu bạn đã từng trò chuyện với một nhà nghien cứu quang phổ Raman về tính khả thi của một ứng dụng phát hiện chất ở nồng độ thấp, rất có thể bạn đã nghe họ nói “Raman có thể không đủ nhạy…nhưng có thể SERS sẽ hoạt động!’’ Nhưng sự khác biệt thực sự giữa hai kỹ thuật này là gì và tại sao SERS (tán xạ Raman tăng cường bề mặt hoặc quang phổ Raman tăng cường bề mặt) được khuyến nghị cho các ứng dụng có nồng độ thấp? Hãy khám phá sự khác biệt về kỹ thuật giữa quang phổ Raman và SERS, cũng như một số cân nhắc thực tế về cách chúng ta đánh giá dữ liệu cho từng loại.
Trong quang phổ Raman thông thường, nguồn laser chiếu trực tiếp vào mẫu (Hình 1a). Ánh sáng laser bị tán xạ bởi các liên kết của chất phân tích và ánh sáng tán xạ không đàn hồi được thu thập và xử lý thành phổ Raman. Bản chất của kỹ thuật này là không phá hủy , tính chọn lọc của các dải Raman và không nhạy với nước làm cho Raman trở thành một công cụ phân tích hữu ích cho cả nghiên cứu định tính và định lượng của cả hệ thống hữu cơ và vô cơ.
Tuy nhiên, trong nhiều thập kỷ, quang phổ Raman là một kỹ thuật chưa được sử dụng đúng mức trong các ứng dụng thực tế. Điều này có thể là do hai hạn chế chính của nó: 1) tính không nhạy vốn có của Raman, vì chỉ có ~1 trong 106 photon tới có tán xạ Raman; và 2) nhiễu do phát xạ huỳnh quang, phụ thuộc vào bản chất của phân tử chất phân tích và bước sóng kích thích được sử dụng. Huỳnh quang là một hiện tượng cạnh tranh tán xạ huỳnh quang nhiều hơn so với tán xạ Raman, và do đó có thể lấn át hoàn toàn tín hiệu Raman.
Mặc dù chúng phụ thuộc vào cường độ tán xạ của phân tử chất phân tích và nền mẫu được đề cập, giới hạn phát hiện điển hình đối với tán xạ Raman bình thường có thể nằm trong khoảng nồng độ từ ~1–10%. Đối với một số ứng dụng nhất định như phát hiện bệnh hoặc xác định chất gây nghiện, giới hạn này có thể cao hơn vài bậc so với yêu cầu! Trong trường hợp này, một nhà khoa học ứng dụng có thể đề xuất phép đo SERS. Phần cứng cần thiết sẽ giống như đối với phép đo Raman thông thường, nhưng cần lấy mẫu khác để phân tích SERS. Để hiểu sự khác biệt, hãy thảo luận một chút về hiệu ứng SERS.
Vào những năm 1970, một số nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy rằng tín hiệu Raman từ các phân tử hữu cơ như pyridine được tăng cường đáng kể khi được hấp phụ vào chất nền kim loại nhám (Hình 1b) [1–3]. Mặc dù một số lý thuyết đã xuất hiện để giải thích cho quan sát này, nhưng ngày nay người ta thường chấp nhận rằng cơ chế tăng cường có hai mặt: cơ chế tăng cường điện từ chiếm phần đóng góp chủ yếu, trong khi cơ chế hóa học chiếm một phần nhỏ hơn trong sự tăng cường.
Cơ chế tăng cường điện từ được kích hoạt bằng cách sử dụng chất nền nano kim loại thô làm bằng kim loại quý (thường là bạc hoặc vàng) và sự hiện diện của plasmon bề mặt cục bộ, là dao động lượng tử của các electron hóa trị của meta đã chọn. Khi tia laser kích thích phức hợp mẫu/chất nền nano, nó sẽ điều khiển các plasmon bề mặt cục bộ tạo thành cộng hưởng hoặc kích thích “LSPR” (Hình 2).
Ở điều kiện này, cả bức xạ kích thích laze và bức xạ tán xạ từ mẫu đều được khuếch đại. Các mũi tên trong Hình 1b được in đậm để thể hiện sự gia tăng về độ lớn này.
Về mặt lý thuyết, cơ chế này có thể giải thích cho việc tăng cường tín hiệu theo các hệ số lên tới 1011 [4]. Cơ chế hóa học liên quan đến sự truyền điện tích cộng hưởng với bước sóng kích thích bằng laser và thường chiếm hệ số tăng cường lý thuyết lên tới 104 [5]. Sự giao thoa huỳnh quang cũng có thể bị dập tắt bởi sự chuyển điện tích này. Với các cơ chế tăng cường kết hợp, chúng ta có thể khắc phục cả hiện tượng nhiễu huỳnh quang và giới hạn phát hiện hạn chế vốn có của tán xạ Raman bình thường. . Trên thực tế, có những nghiên cứu đã chứng minh rằng SERS có thể phát hiện các phân tử đơn lẻ [6,7]!
Tạo các cấu trúc nano này là một lĩnh vực nghiên cứu học thuật ngày càng tăng trong hai thập kỷ qua. Chất nền SERS có thể bao gồm huyền phù keo, hạt nano rắn và kim loại phủ trên chip silicon. Sự tăng cường có xu hướng đạt đến đỉnh điểm khi phân tử chất phân tích được đặt tại một điểm nối của các cấu trúc nano (còn được gọi là “điểm nóng” SERS), vì vậy các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh hình dạng và hoạt động plasmonic của các chất nền này để đạt được mức tăng cường cao hơn nữa cho mục đích nghiên cứu của họ.
Ngoài ra còn có các chất nền SERS thương mại có sẵn trên thị trường sử dụng cho các ứng dụng trong thực tế. Các chất nền này được thiết kế để dễ sử dụng, linh hoạt và chi phí thấp, nhưng có thể không nhạy bằng các chất nền có trật tự cao. Chúng tôi cung cấp cả chất nền SERS dựa trên giấy và chất nền SERS dựa trên chip được gắn vào một phiến kính.
Sau khi thảo luận với một nhà khoa học ứng dụng, người dùng có thể xác định rằng chất nền SERS có sẵn trên thị trường là phù hợp cho ứng dụng của họ. Tuy nhiên, ở những nơi khác, độ nhạy cao hơn có thể được yêu cầu để đáp ứng các giới hạn phát hiện cho ứng dụng. Trong trường hợp này, các phòng thí nghiệm của trường đại học địa phương có thể tự tạo nano có thể ứng dụng đo lường.
Chúng tôi thường nhận được những câu hỏi như “Chúng tôi có thể sử dụng thư viện tham chiếu Raman hiện có để phân tích phổ SERS không?” Hình 3 cho thấy sự khác biệt giữa phổ Raman bình thường của fentanyl HCl và phổ SERS của dung dịch fentanyl HCl bão hòa trên chất nền SERS thương mại.
Phổ Raman bình thường của fentanyl chứa nhiều đỉnh hơn đáng kể so với phổ SERS tương ứng. Các dải SERS cũng rộng hơn đáng kể so với các dải Raman thông thường. Trong trường hợp của phổ SERS, nó không phải là những dao động của phân tử ddcuocj tìm kiếm, mà còn của mẫu bị hấp thụ vào chất nền. Do đó, chúng ta có the quan sát thấy vài peak trong phổ SERS có thể của chất nền.
Do sự khác biệt giữa phổ SERS và phổ Raman thông thường, trong một số trường hợp, có thể khó sử dụng các thư viện Raman thương mại để phân tích phổ SERS. Chúng tôi khuyến khích những người dùng cần định tính với kxy thuật SERS tạo cơ sở dữ liệu phổ SERS của riêng họ bằng cách sử dụng chất nền của họ. Chúng tôi cũng có bán các thư viện chất gây nghiện dành riêng cho SERS trên một số sản phẩm Raman cầm tay TacticID của chúng tôi. Để phân tích dữ liệu phức tạp hơn, bạn có thể tự mở rộng cơ sở dữ liệu SERS.
TacticID handheld Raman instruments
Trong các ứng dụng cảm biến có nồng độ thấp hoặc các trường hợp mà huỳnh quang lấn át tín hiệu Raman của bạn, SERS là một kỹ thuật vô giá cho cả nhà nghiên cứu và người giải quyết vấn đề trong thế giới thực. Để biết thêm thông tin truy cập trang web của chúng tôi.
Your knowledge take-aways
References
[1] D.L. Jeanmaire and R.P. Van Duyne, J. Electroanal, Chem. 84, 1–20 (1977).
[2] M.Fleischmann, P.J.Hendra, and A.J. McQuillan, Chem. Phys. Lett. 26, 163-166 (1974).
[3] M.G. Albrecht and J.A. Creighton, J. Am. Chem. Soc. 99, 5215-5217 (1977).
[4] J.P Camden , J. A. Dieringer, Y. Wang, D.J. Masiello, L.D. Marks, G.C. Schatz, and R.P. Van Duyne, J. Am. Chem. Soc. 130, 12616–12617 (2008).
[5] R. Pilot, R. Signorini, and L Fabris, “Surface-Enhanced Raman spectroscopy: Principles, Substrates, and Applications”. In: Deepak F.L., editor. Metal Nanoparticles and Clusters: Advances in Synthesis, Properties and Applications. Springer; Cham, Switzerland: 2018. pp. 89–164.
[6] J.A. Dieringer, R.B. Lettan, K.A. Scheidt, and R.P Van Duyne, J. Am. Chem. Soc.129, 16249–16256 (2007).
[7] K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L.T. Perelman, I. Itzkan, R.R. Dasari, and M.S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667-1670 (1997).
