Hvad er overfladeforbedret Raman-spredning?

Overfladeforbedret Ramanspredning er fænomen, hvorved de normalt svage lyssignaler, der er forbundet med Ramanspredning, bliver meget mere magtfulde og lettere detekterbare. Selvom Raman-spektroskopi er et nyttigt middel til at identificere molekyler, der er til stede i et materiale eller en opløsning, er det begrænset af det faktum, at virkningen er meget svag, med normalt kun en ud af hver 10 ⁸ indkommende fotoner, der er underlagt denne form for spredning. Overfladeforbedret Ramanspredning resulterer i, at denne effekt forstærkes meget, typisk med en faktor fra 10 til 10 ⁶ og i nogle tilfælde op til 10 ¹⁵ . Forbedringen opnås, når molekylerne, der undersøges, er i kontakt med eller i umiddelbar nærhed af en metaloverflade, der har ruhed i skala fra 10-100 nanometer (nm). Sølv, guld og kobber giver de bedste resultater og anvendes normalt i form af nanopartikler.

Det menes, at virkningen produceres, når der dannes plasmoner på metaloverfladen af ​​det laserlys, der bruges til at opnå overfladeforbedret Raman-spredning. Plasmoner er elektromagnetiske bølger, der bevæger sig en kort afstand over metaloverfladen, når metalets elektronsky er stimuleret af lys. Små uregelmæssigheder på nanopartiklernes overflader ser ud til at koncentrere effekten, hvilket øges yderligere, når nanopartiklerne er arrangeret i klynger. Det genererede elektromagnetiske felt ser derefter ud til at forårsage molekyler i umiddelbar nærhed til at demonstrere meget mere intens Raman-spredning end normalt ville være tilfældet. Det menes også, at kemi muligvis kan spille en rolle i nogle tilfælde, men forskning i retning af en fuld forklaring er i gang.

Denne effekt har ført til udviklingen af ​​overfladeforbedret Raman-spektroskopi (SERS), en teknik, der i vid udstrækning har udvidet omfanget af Raman-spektroskopi, hvilket muliggør detektion af ekstremt små mængder af forskellige stoffer uden behov for dyre instrumenter. For at maksimere den overfladeforbedrede Raman-spredningseffekt afsættes materialet, der undersøges, på egnede metalnanopartikler, ofte i en kolloid. Som med traditionel Raman-spektroskopi bruges en monokromatisk laser til at producere den krævede spredning. Før det spredte lys analyseres, filtreres det mere intense signal på grund af Rayleigh-spredning for at forhindre, at det overvælder Ramansignalerne.

Den stærkt forbedrede følsomhed ved overfladeforbedret Raman-spredning gør det muligt at anvende teknikken til at detektere adskillige kemiske forbindelser i spormængder. Det har derfor anvendelser inden for retsmedicinsk videnskab, miljøovervågning og medicin. Metallnanopartikler kan introduceres i levende celler, hvilket gør det muligt at bruge SERS til at undersøge cellulær biokemisk aktivitet.