Co to jest ulepszone powierzchniowo rozpraszanie Ramana?

Rozproszone powierzchniowo rozpraszanie Ramana jest zjawiskiem, w którym normalnie słabe sygnały świetlne związane z rozpraszaniem Ramana stają się znacznie silniejsze i łatwiejsze do wykrycia. Chociaż spektroskopia ramanowska jest użytecznym sposobem identyfikacji cząsteczek obecnych w materiale lub roztworze, jest ograniczona faktem, że efekt jest bardzo słaby, przy czym zwykle tylko jeden na każde 108 przychodzących fotonów podlega tego rodzaju rozproszeniu. Wzmocnione powierzchniowo rozpraszanie Ramana skutkuje znacznym wzmocnieniem tego efektu, zwykle o współczynnik od 10 ³ do 10 ⁶ , aw niektórych przypadkach do 10 ¹⁵ . Wzmocnienie osiąga się, gdy badane cząsteczki stykają się z powierzchnią metalu o chropowatości w skali 10-100 nanometrów (nm) lub znajdują się w jej pobliżu. Srebro, złoto i miedź dają najlepsze wyniki i zwykle stosuje się je w postaci nanocząstek.

Uważa się, że efekt powstaje, gdy plazmony powstają na powierzchni metalu przez światło lasera zastosowane do uzyskania rozpraszania Ramana z wzmocnieniem powierzchni. Plazmy są falami elektromagnetycznymi, które przemieszczają się w niewielkiej odległości po powierzchni metalu, gdy chmura elektronów metalu jest stymulowana przez światło. Małe nieregularności na powierzchniach nanocząstek wydają się koncentrować efekt, który jest jeszcze większy, gdy nanocząstki są ułożone w gromady. Wydaje się, że wytwarzane pole elektromagnetyczne powoduje, że cząsteczki w bezpośrednim sąsiedztwie wykazują znacznie intensywniejsze rozpraszanie Ramana, niż byłoby to normalnie. Uważa się również, że chemia może odgrywać pewną rolę w niektórych przypadkach, ale badania w kierunku pełnego wyjaśnienia są w toku.

Efekt ten doprowadził do opracowania ulepszonej powierzchniowo spektroskopii ramanowskiej (SERS), techniki, która znacznie rozszerzyła zakres spektroskopii ramanowskiej, umożliwiając wykrywanie bardzo małych ilości różnych substancji bez potrzeby stosowania drogich instrumentów. Aby zmaksymalizować efekt rozpraszania Ramana wzmocnionego na powierzchni, badany materiał osadza się na odpowiednich metalowych nanocząstkach, często w koloidie. Podobnie jak w przypadku tradycyjnej spektroskopii ramanowskiej, do uzyskania wymaganego rozproszenia wykorzystywany jest laser monochromatyczny. Przed analizą światła rozproszonego filtrowany jest bardziej intensywny sygnał spowodowany rozpraszaniem Rayleigha, aby zapobiec przytłaczaniu sygnałów Ramana.

Znacznie poprawiona czułość powierzchniowego rozpraszania Ramana pozwala na zastosowanie tej techniki do wykrywania wielu związków chemicznych w śladowych ilościach. Ma zatem zastosowanie w kryminalistyce, monitorowaniu środowiska i medycynie. Nanocząstki metalu można wprowadzać do żywych komórek, co umożliwia wykorzystanie SERS do badania aktywności biochemicznej komórek.