Vad är ytan förbättrad Raman spridning?

Ytförstärkt Ramanspridning är fenomen varvid de normalt svaga ljussignalerna som är associerade med Ramans spridning blir mycket kraftigare och lättare att upptäcka. Medan Raman-spektroskopi är ett användbart sätt att identifiera molekyler som finns i ett material eller en lösning, är det begränsat av det faktum att effekten är mycket svag, med normalt bara en av varje 10 ⁸ inkommande fotoner som omfattas av denna typ av spridning. Ytförstärkt Ramanspridning resulterar i att denna effekt förstärks kraftigt, vanligtvis med en faktor 10 till 10 ⁶ , och under vissa omständigheter upp till 10 ¹⁵ . Förbättringen uppnås när molekylerna som undersöks är i kontakt med eller i närheten av en metallyta som har grovhet i skalan 10-100 nanometer (nm). Silver, guld och koppar ger de bästa resultaten och används vanligtvis i form av nanopartiklar.

Man tror att effekten produceras när plasmoner skapas vid metallytan av det laserljus som används för att uppnå ytförstärkt Ramanspridning. Plasmoner är elektromagnetiska vågor som går ett kort avstånd över ytan på metallen när metallens elektronmoln stimuleras av ljus. Små ojämnheter på nanopartiklarnas ytor verkar koncentrera effekten, som ökas ytterligare när nanopartiklarna är arrangerade i kluster. Det genererade elektromagnetiska fältet verkar då orsaka att molekyler i omedelbar närhet visar mycket mer intensiv Ramanspridning än vad som normalt skulle vara fallet. Man tror också att kemi kan spela en roll i vissa fall, men forskning för en fullständig förklaring pågår.

Denna effekt har lett till utvecklingen av ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS), en teknik som har utökat omfattningen av Raman-spektroskopi, vilket möjliggör detektering av extremt små mängder av olika ämnen utan behov av dyra instrument. För att maximera den ytförbättrade Ramans spridningseffekten, avsätts materialet som undersöks på lämpliga metallnanopartiklar, ofta i en kolloid. Liksom med traditionell Raman-spektroskopi används en monokromatisk laser för att producera den erforderliga spridningen. Innan det spridda ljuset analyseras filtreras den mer intensiva signalen på grund av Rayleigh-spridning ut för att förhindra att det överväldigar Ramans signaler.

Den kraftigt förbättrade känsligheten för ytförstärkt Raman-spridning gör det möjligt att använda tekniken för att detektera många kemiska föreningar i spårmängder. Den har därför tillämpningar inom kriminalteknik, miljöövervakning och medicin. Metallnanopartiklar kan införas i levande celler, vilket gör det möjligt att använda SERS för att undersöka cellulär biokemisk aktivitet.