Was ist oberflächenverstärkte Raman-Streuung?
Oberflächenverstärkte Raman-Streuung ist ein Phänomen, bei dem die normalerweise schwachen Lichtsignale, die mit der Raman-Streuung verbunden sind, viel leistungsfähiger und leichter erkennbar werden. Während Raman-Spektroskopie ein nützliches Mittel zur Identifizierung von Molekülen ist, die in einem Material oder einer Lösung vorhanden sind, ist sie durch die Tatsache begrenzt, dass der Effekt sehr schwach ist, wobei normalerweise nur eines von 10 8 einfallenden Photonen dieser Art von Streuung ausgesetzt ist. Oberflächenverstärkte Raman-Streuung führt dazu, dass dieser Effekt stark verstärkt wird, typischerweise um einen Faktor von 10 3 bis 10 6 und unter Umständen bis zu 10 15 . Die Verbesserung wird erreicht, wenn die untersuchten Moleküle in Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe zu einer Metalloberfläche stehen, die eine Rauheit im Bereich von 10-100 Nanometern (nm) aufweist. Silber, Gold und Kupfer liefern die besten Ergebnisse und werden üblicherweise in Form von Nanopartikeln eingesetzt.
Es wird angenommen, dass der Effekt erzeugt wird, wenn Plasmonen an der Metalloberfläche durch das Laserlicht erzeugt werden, das zur Erzielung einer oberflächenverstärkten Raman-Streuung verwendet wird. Plasmonen sind elektromagnetische Wellen, die eine kurze Strecke über die Oberfläche des Metalls laufen, wenn die Elektronenwolke des Metalls durch Licht angeregt wird. Winzige Unregelmäßigkeiten auf den Oberflächen der Nanopartikel scheinen den Effekt zu konzentrieren, der noch verstärkt wird, wenn die Nanopartikel in Clustern angeordnet sind. Das erzeugte elektromagnetische Feld scheint dann zu bewirken, dass Moleküle in unmittelbarer Nähe eine viel stärkere Raman-Streuung zeigen, als dies normalerweise der Fall wäre. Es wird auch angenommen, dass die Chemie in einigen Fällen eine Rolle spielt, aber die Forschung nach einer vollständigen Erklärung ist noch nicht abgeschlossen.
Dieser Effekt hat zur Entwicklung der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) geführt, eine Technik, die den Anwendungsbereich der Raman-Spektroskopie erheblich erweitert hat und den Nachweis extrem kleiner Mengen verschiedener Substanzen ohne teure Instrumente ermöglicht. Um den oberflächenverstärkten Raman-Streueffekt zu maximieren, wird das zu untersuchende Material auf geeigneten Metallnanopartikeln, häufig in einem Kolloid, abgeschieden. Wie bei der traditionellen Raman-Spektroskopie wird ein monochromatischer Laser verwendet, um die erforderliche Streuung zu erzeugen. Bevor das gestreute Licht analysiert wird, wird das durch Rayleigh-Streuung intensivere Signal herausgefiltert, um zu verhindern, dass es die Raman-Signale übersteuert.
Die stark verbesserte Empfindlichkeit der oberflächenverstärkten Raman-Streuung ermöglicht den Nachweis zahlreicher chemischer Verbindungen in Spurenmengen. Es hat daher Anwendungen in der Forensik, Umweltüberwachung und Medizin. Metallnanopartikel können in lebende Zellen eingebracht werden, so dass mit SERS die zelluläre biochemische Aktivität untersucht werden kann.