Espectroscopia Raman aprimorada de superfície - Surface-enhanced Raman spectroscopy
Espectroscopia Raman aprimorada por superfície ou espalhamento Raman aprimorado por superfície ( SERS ) é uma técnica sensível à superfície que aumenta o espalhamento Raman por moléculas adsorvidas em superfícies metálicas ásperas ou por nanoestruturas, como nanotubos de sílica magnética plasmônica. O fator de aumento pode ser de até 10 10 a 10 11 , o que significa que a técnica pode detectar moléculas únicas.
História
SERS de piridina adsorvida em prata eletroquimicamente áspera foi observada pela primeira vez por Martin Fleischmann , Patrick J. Hendra e A. James McQuillan no Departamento de Química da Universidade de Southampton , Reino Unido em 1973. Esta publicação inicial foi citada mais de 6.000 vezes. O 40º aniversário da primeira observação do efeito SERS foi marcado pela Royal Society of Chemistry com a atribuição de uma placa National Chemical Landmark à Universidade de Southampton. Em 1977, dois grupos notaram independentemente que a concentração de espécies de dispersão não poderia explicar o sinal intensificado e cada um propôs um mecanismo para o aumento observado. Suas teorias ainda são aceitas para explicar o efeito SERS. Jeanmaire e Richard Van Duyne propuseram um efeito eletromagnético, enquanto Albrecht e Creighton propuseram um efeito de transferência de carga. Rufus Ritchie, da Divisão de Pesquisa em Ciências da Saúde do Laboratório Nacional de Oak Ridge , previu a existência do plasmon de superfície .
Mecanismos
O mecanismo exato do efeito de realce da SERS ainda é uma questão de debate na literatura. Existem duas teorias primárias e, embora seus mecanismos difiram substancialmente, distingui-los experimentalmente não foi simples. A teoria eletromagnética propõe a excitação de plasmons de superfície localizados , enquanto a teoria química propõe a formação de complexos de transferência de carga . A teoria química é baseada na espectroscopia de ressonância Raman , na qual a coincidência de frequência (ou ressonância) da energia do fóton incidente e a transição do elétron aumenta muito a intensidade de espalhamento Raman . A pesquisa em 2015 sobre uma extensão mais poderosa da técnica SERS chamada SLIPSERS (Slippery Liquid-Infused Porous SERS) apoiou ainda mais a teoria EM.
Teoria eletromagnética
O aumento na intensidade do sinal Raman para adsorbatos em superfícies particulares ocorre devido a um aumento no campo elétrico fornecido pela superfície. Quando a luz incidente no experimento atinge a superfície, os plasmons de superfície localizados são excitados. O aumento do campo é maior quando a frequência do plasmon , ω p , está em ressonância com a radiação ( para partículas esféricas). Para que ocorra o espalhamento, as oscilações do plasmon devem ser perpendiculares à superfície; se estiverem no plano da superfície, não ocorrerá espalhamento. É por causa desse requisito que superfícies rugosas ou arranjos de nanopartículas são normalmente empregados em experimentos SERS, pois essas superfícies fornecem uma área na qual essas oscilações coletivas localizadas podem ocorrer. O aumento de SERS pode ocorrer mesmo quando uma molécula excitada está relativamente longe da superfície que hospeda nanopartículas metálicas, permitindo fenômenos de plasmon de superfície.
A luz incidente na superfície pode excitar uma variedade de fenômenos na superfície, mas a complexidade desta situação pode ser minimizada por superfícies com características muito menores que o comprimento de onda da luz, pois apenas a contribuição dipolar será reconhecida pelo sistema. O termo dipolar contribui para as oscilações do plasmon, o que leva ao realce. O efeito SERS é tão pronunciado porque o aumento de campo ocorre duas vezes. Primeiramente, o realce do campo amplia a intensidade da luz incidente, que irá excitar os modos Raman da molécula em estudo, aumentando assim o sinal do espalhamento Raman. O sinal Raman é então ampliado ainda mais pela superfície devido ao mesmo mecanismo que excitou a luz incidente, resultando em um aumento maior na saída total. Em cada estágio, o campo elétrico é aumentado como E 2 , para um aumento total de E 4 .
O aprimoramento não é igual para todas as frequências. Para aquelas frequências para as quais o sinal Raman é apenas ligeiramente desviado da luz incidente, tanto a luz laser incidente quanto o sinal Raman podem estar próximos da ressonância com a frequência plasmônica, levando ao aumento E 4 . Quando a mudança de frequência é grande, a luz incidente e o sinal Raman não podem estar em ressonância com ω p , portanto, o aumento em ambos os estágios não pode ser máximo.
A escolha do metal da superfície também é ditada pela frequência de ressonância do plasmon. Radiação visível e infravermelho próximo (NIR) são usados para excitar os modos Raman. Prata e ouro são metais típicos para experimentos SERS porque suas frequências de ressonância de plasmon estão dentro dessas faixas de comprimento de onda, proporcionando o aprimoramento máximo para luz visível e NIR. O espectro de absorção do cobre também está dentro da faixa aceitável para experimentos SERS. As nanoestruturas de platina e paládio também exibem ressonância de plasmon dentro das frequências visíveis e NIR.
Teoria química
A espectroscopia de ressonância Raman explica o grande aumento da intensidade de espalhamento Raman. As transferências de carga intermolecular e intramolecular aumentam significativamente os picos do espectro Raman. Em particular, o aprimoramento é enorme para espécies que adsorvem a superfície de metal devido às transferências de carga de alta intensidade da superfície de metal com banda larga para as espécies de adsorção. Este aumento de ressonância Raman é dominante em SERS para espécies em pequenos nanoclusters com lacunas de banda consideráveis , porque o plasmon de superfície aparece apenas na superfície de metal com lacunas de banda próximas de zero. Este mecanismo químico provavelmente ocorre em conjunto com o mecanismo eletromagnético da superfície metálica.
Superfícies
Embora o SERS possa ser realizado em soluções coloidais, hoje o método mais comum para realizar medições de SERS é depositar uma amostra líquida em uma superfície de silicone ou vidro com uma superfície de metal nobre nanoestruturada. Enquanto os primeiros experimentos foram realizados em prata eletroquimicamente áspera, agora as superfícies são frequentemente preparadas usando uma distribuição de nanopartículas de metal na superfície, bem como usando litografia ou silício poroso como suporte. Nanopilares de silício bidimensionais decorados com prata também foram usados para criar substratos ativos SERS. Os metais mais comuns usados para superfícies plasmônicas em SERS de luz visível são prata e ouro; entretanto, o alumínio tem sido explorado recentemente como um material plasmônico alternativo, pois sua banda de plasmon está na região do UV, ao contrário da prata e do ouro. Portanto, há um grande interesse no uso de alumínio para UV SERS. No entanto, surpreendentemente, também foi mostrado ter um grande aprimoramento no infravermelho, que não é totalmente compreendido. Na década atual, foi reconhecido que o custo dos substratos SERS deve ser reduzido para se tornar uma técnica de medição de química analítica comumente usada. Para atender a essa necessidade, o papel plasmônico recebeu grande atenção no campo, com substratos SERS altamente sensíveis sendo formados por meio de abordagens como imersão, síntese in-situ, impressão em tela e impressão a jato de tinta.
A forma e o tamanho das nanopartículas de metal afetam fortemente a resistência do realce porque esses fatores influenciam a proporção de eventos de absorção e espalhamento. Existe um tamanho ideal para essas partículas e uma espessura de superfície ideal para cada experimento. Se a concentração e o tamanho das partículas puderem ser melhor ajustados para cada experimento, isso representará um longo caminho na redução de custos dos substratos. Partículas muito grandes permitem a excitação de multipolares , que não são radiativas. Como apenas a transição dipolo leva ao espalhamento Raman, as transições de ordem superior causarão uma diminuição na eficiência geral do aprimoramento. Partículas muito pequenas perdem sua condutância elétrica e não podem aumentar o campo. Quando o tamanho da partícula se aproxima de alguns átomos, a definição de um plasmon não se sustenta, pois deve haver uma grande coleção de elétrons para oscilar juntos. Um substrato SERS ideal deve possuir alta uniformidade e alto realce de campo. Tais substratos podem ser fabricados em uma escala de wafer e microscopia de superresolução livre de rótulo também foi demonstrada usando as flutuações do sinal de espalhamento Raman intensificado por superfície em tais metassuperfícies plasmônicas altamente uniformes e de alto desempenho.
Formulários
Os substratos SERS são usados para detectar a presença de biomoléculas de baixa abundância e, portanto, podem detectar proteínas em fluidos corporais. A detecção precoce de biomarcadores de câncer de pâncreas foi realizada usando a abordagem de imunoensaio baseada em SERS. Uma plataforma de detecção de biomarcador de proteína multiplex de base SERS em um chip microfluídico é usada para detectar vários biomarcadores de proteína para prever o tipo de doença e biomarcadores críticos e aumentar a chance de diagnóstico entre doenças com biomarcadores semelhantes (PC, OVC e pancreatite). Esta tecnologia tem sido utilizada para detectar uréia e plasma sanguíneo livre de marcadores em soro humano e pode se tornar a próxima geração em detecção e rastreamento de câncer.
A capacidade de analisar a composição de uma mistura em escala nano torna o uso de substratos SERS benéfico para análise ambiental, produtos farmacêuticos, ciências dos materiais, arte e pesquisa arqueológica, ciência forense, detecção de drogas e explosivos, análise de qualidade de alimentos e célula única de algas detecção. SERS combinado com detecção plasmônica pode ser usado para alta sensibilidade e análise quantitativa de pequenas moléculas em biofluidos humanos, detecção quantitativa de interação biomolecular e para estudar processos redox no nível de molécula única.
SERS é uma técnica poderosa para determinar informações estruturais sobre o sistema molecular. Ele encontrou uma ampla gama de aplicações em detecção química ultrassensível e análise ambiental.
Imunoensaios
Os imunoensaios baseados em SERS podem ser usados para a detecção de biomarcadores de baixa abundância. Por exemplo, anticorpos e partículas de ouro podem ser usados para quantificar proteínas no soro com alta sensibilidade e especificidade.
Direcionamento de oligonucleotídeo
SERS pode ser usado para direcionar sequências específicas de DNA e RNA usando uma combinação de nanopartículas de ouro e prata e corantes ativos de Raman, como Cy3 . Específicas polimorfismos de um único nucleótido (SNP) podem ser identificados utilizando esta técnica. As nanopartículas de ouro facilitam a formação de um revestimento de prata nas regiões marcadas com corante de DNA ou RNA, permitindo a realização de SERS. Isso tem várias aplicações potenciais: Por exemplo, Cao et al. relatam que as sequências de genes para HIV, Ebola, Hepatite e Bacillus Anthracis podem ser identificadas com exclusividade usando essa técnica. Cada espectro era específico, o que é vantajoso em relação à detecção de fluorescência; alguns marcadores fluorescentes se sobrepõem e interferem com outros marcadores genéticos. A vantagem dessa técnica para identificar sequências gênicas é que vários corantes Raman estão comercialmente disponíveis, o que pode levar ao desenvolvimento de sondas não sobrepostas para a detecção gênica.
Regras de seleção
O termo espectroscopia Raman aprimorada de superfície implica que ela fornece as mesmas informações que a espectroscopia Raman tradicional, simplesmente com um sinal bastante aprimorado. Embora os espectros da maioria dos experimentos SERS sejam semelhantes aos espectros não intensificados de superfície, frequentemente há diferenças no número de modos presentes. Modos adicionais não encontrados no espectro Raman tradicional podem estar presentes no espectro SERS, enquanto outros modos podem desaparecer. Os modos observados em qualquer experimento espectroscópico são ditados pela simetria das moléculas e geralmente são resumidos pelas regras de seleção . Quando as moléculas são adsorvidas a uma superfície, a simetria do sistema pode mudar, modificando ligeiramente a simetria da molécula, o que pode levar a diferenças na seleção do modo.
Uma maneira comum de modificar as regras de seleção surge do fato de que muitas moléculas que têm um centro de simetria perdem essa característica quando adsorvidas a uma superfície. A perda de um centro de simetria elimina os requisitos da regra de exclusão mútua , que determina que os modos só podem ser Raman ou infravermelho ativo. Assim, modos que normalmente apareceriam apenas no espectro infravermelho da molécula livre podem aparecer no espectro SERS.
A simetria de uma molécula pode ser alterada de diferentes maneiras, dependendo da orientação em que a molécula está fixada à superfície. Em alguns experimentos, é possível determinar a orientação de adsorção à superfície a partir do espectro SERS, pois diferentes modos estarão presentes dependendo de como a simetria é modificada.