Co je Ramanův rozptyl vylepšený povrchem?

Ramanův rozptyl s vylepšeným povrchem je jev, kdy se normálně slabé světelné signály, které jsou spojeny s Ramanovým rozptylem, stávají mnohem silnějšími a snadněji detekovatelnými. Zatímco Ramanova spektroskopie je užitečným prostředkem pro identifikaci molekul přítomných v materiálu nebo roztoku, je omezena skutečností, že účinek je velmi slabý, přičemž normálně pouze jeden z každých 108 přicházejících fotonů podléhá tomuto druhu rozptylu. Ramanův rozptyl s povrchovou úpravou má za následek, že je tento účinek značně zesílen, obvykle faktorem 103 až 106 a v některých případech až ¹⁰¹⁵ . Zlepšení se dosáhne, když jsou zkoumané molekuly v kontaktu s kovovým povrchem nebo v jeho těsné blízkosti, který má drsnost v měřítku 10 až 100 nanometrů (nm). Stříbro, zlato a měď poskytují nejlepší výsledky a obvykle se používají ve formě nanočástic.

Předpokládá se, že účinek je vyvolán, když jsou plazmony vytvářeny na kovovém povrchu laserovým světlem používaným k dosažení Ramanova rozptylu s vylepšeným povrchem. Plazmony jsou elektromagnetické vlny, které se pohybují na krátkou vzdálenost přes povrch kovu, když je kovový elektronový mrak stimulován světlem. Zdá se, že drobné nepravidelnosti na povrchu nanočástic koncentrují účinek, který se ještě více zvyšuje, když jsou nanočástice uspořádány v klastrech. Zdá se, že generované elektromagnetické pole způsobuje, že molekuly v bezprostřední blízkosti vykazují mnohem intenzivnější Ramanův rozptyl, než by tomu bylo normálně. Také se předpokládá, že v některých případech může hrát roli chemie, ale stále probíhá výzkum směřující k úplnému vysvětlení.

Tento účinek vedl k vývoji povrchově vylepšené Ramanovy spektroskopie (SERS), což je technika, která značně rozšířila rozsah Ramanovy spektroskopie, umožňující detekci extrémně malého množství různých látek bez nutnosti drahých nástrojů. Aby se maximalizoval Ramanův rozptyl s účinkem na povrchu, je zkoumaný materiál ukládán na vhodné kovové nanočástice, často v koloidu. Stejně jako u tradiční Ramanovy spektroskopie se k dosažení požadovaného rozptylu používá monochromatický laser. Před analýzou rozptýleného světla je odfiltrován intenzivnější signál způsobený Rayleighovým rozptylem, aby se zabránilo přemoci Ramanových signálů.

Výrazně zlepšená citlivost Ramanova rozptylu s vylepšeným povrchem umožňuje použít techniku ​​k detekci četných chemických sloučenin ve stopových množstvích. Má proto uplatnění ve forenzní vědě, monitorování životního prostředí a medicíně. Kovové nanočástice mohou být zavedeny do živých buněk, což umožňuje použít SERS ke zkoumání buněčné biochemické aktivity.