Wat is Surface Enhanced Raman Scattering?
Oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing is een fenomeen waarbij de normaal zwakke lichtsignalen die worden geassocieerd met Raman-verstrooiing veel krachtiger en gemakkelijker detecteerbaar worden. Hoewel Raman-spectroscopie een nuttig middel is om moleculen te identificeren die aanwezig zijn in een materiaal of oplossing, wordt het beperkt door het feit dat het effect erg zwak is, met normaal slechts één op elke 108 binnenkomende fotonen onderworpen aan dit soort verstrooiing. Door het oppervlak verbeterde Raman-verstrooiing wordt dit effect aanzienlijk versterkt, typisch met een factor van 103 tot 106, en in sommige omstandigheden tot 1015 . De verbetering wordt bereikt wanneer de onderzochte moleculen in contact zijn met of in de nabijheid van een metalen oppervlak met een ruwheid op de schaal van 10-100 nanometer (nm). Zilver, goud en koper geven de beste resultaten en worden meestal gebruikt in de vorm van nanodeeltjes.
Er wordt gedacht dat het effect wordt geproduceerd wanneer plasmonen worden gecreëerd op het metalen oppervlak door het laserlicht dat wordt gebruikt om oppervlakversterkte Raman-verstrooiing te bereiken. Plasmonen zijn elektromagnetische golven die een korte afstand over het oppervlak van het metaal afleggen wanneer de elektronenwolk van het metaal door licht wordt gestimuleerd. Kleine onregelmatigheden op de oppervlakken van de nanodeeltjes lijken het effect te concentreren, dat nog verder toeneemt wanneer de nanodeeltjes in clusters zijn gerangschikt. Het gegenereerde elektromagnetische veld lijkt vervolgens moleculen in de directe omgeving te veroorzaken om veel intensere Raman-verstrooiing aan te tonen dan normaal het geval zou zijn. Er wordt ook gedacht dat chemie in sommige gevallen een rol kan spelen, maar onderzoek naar een volledige verklaring is aan de gang.
Dit effect heeft geleid tot de ontwikkeling van oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie (SERS), een techniek die de reikwijdte van Raman-spectroscopie aanzienlijk heeft uitgebreid, waardoor extreem kleine hoeveelheden van verschillende stoffen kunnen worden gedetecteerd zonder dat daarvoor dure instrumenten nodig zijn. Om het oppervlakversterkende Raman-verstrooiingseffect te maximaliseren, wordt het onderzochte materiaal op geschikte metalen nanodeeltjes afgezet, vaak in een colloïde. Net als bij traditionele Raman-spectroscopie, wordt een monochromatische laser gebruikt om de vereiste verstrooiing te produceren. Voordat het verstrooide licht wordt geanalyseerd, wordt het intensere signaal als gevolg van Rayleigh-verstrooiing eruit gefilterd om te voorkomen dat het de Raman-signalen overweldigt.
Door de sterk verbeterde gevoeligheid van oppervlakversterkte Raman-verstrooiing kan de techniek worden gebruikt om talloze chemische verbindingen in sporenhoeveelheden te detecteren. Het heeft daarom toepassingen in forensische wetenschap, milieumonitoring en geneeskunde. Metalen nanodeeltjes kunnen in levende cellen worden geïntroduceerd, waardoor het mogelijk is om SERS te gebruiken om cellulaire biochemische activiteit te onderzoeken.