Hva er overflateforbedret Raman-spredning?

Overflateforbedret Ramanspredning er fenomen der de normalt svake lyssignalene som er assosiert med Ramanspredning blir mye kraftigere og lettere detekterbare. Selv om Raman-spektroskopi er et nyttig middel for å identifisere molekyler som er tilstede i et materiale eller en løsning, er det begrenset av det faktum at effekten er veldig svak, med normalt bare en av hver 10 ⁸ innkommende fotoner underlagt denne typen spredning. Overflateforbedret Ramanspredning resulterer i at denne effekten blir sterkt forsterket, typisk med en faktor fra 10 til 10 ⁶ , og i noen tilfeller opp til 10 ¹⁵ . Forbedringen oppnås når molekylene som er undersøkt er i kontakt med, eller i nærheten av, en metalloverflate som har ruhet i skala fra 10-100 nanometer (nm). Sølv, gull og kobber gir best resultat, og brukes vanligvis i form av nanopartikler.

Det antas at effekten blir produsert når plasmoner dannes på metalloverflaten av laserlyset som brukes for å oppnå overflateforsterket Ramanspredning. Plasmoner er elektromagnetiske bølger som går et lite stykke over overflaten av metallet når metallets elektroniske sky stimuleres av lys. Små ujevnheter på nanopartikkelenes overflater ser ut til å konsentrere effekten, som økes ytterligere når nanopartiklene er anordnet i klynger. Det elektromagnetiske feltet som genereres ser ut til å føre til at molekyler i umiddelbar nærhet viser mye mer intens Ramanspredning enn det som normalt ville vært tilfelle. Det antas også at kjemi kan spille en rolle i noen tilfeller, men det pågår forskning for en fullstendig forklaring.

Denne effekten har ført til utviklingen av overflateforbedret Raman-spektroskopi (SERS), en teknikk som i stor grad har utvidet omfanget av Raman-spektroskopi, og tillater deteksjon av ekstremt små mengder av forskjellige stoffer uten behov for dyre instrumenter. For å maksimere den overflateforbedrede Ramanspredningseffekten blir materialet som undersøkes avsatt på passende metallnanopartikler, ofte i en kolloid. Som med tradisjonell Raman-spektroskopi, brukes en monokromatisk laser for å produsere den nødvendige spredningen. Før det spredte lyset analyseres, filtreres det mer intense signalet på grunn av Rayleigh-spredning for å forhindre at det overvelder Ramansignalene.

Den sterkt forbedrede følsomheten for overflateforbedret Raman-spredning gjør det mulig å bruke teknikken for å oppdage mange kjemiske forbindelser i spormengder. Den har derfor anvendelser innen rettsvitenskap, miljøovervåking og medisin. Metallnanopartikler kan introduseres i levende celler, noe som gjør det mulig å bruke SERS for å undersøke cellulær biokjemisk aktivitet.