طیف سنجی رامان ارتقا یافته سطحی

مقدمه

یکی از محدودیت‌های طیف سنجی رامان، ضعیف بودن سیگنال رامان است. تقریبا از هر ۱۰ میلیون فوتون تنها یک فوتون تحت پراکندگی رامان قرار می‌گیرد. بنابراین سیگنال رامان در غلظت‌های کم یا در برخی مواد با توجه به خاصیت ذاتی آن ضعیف‌ است. علاوه بر این گاهی اوقات فلورسانس زیاد نیز بر طیف رامان اثر گذاشته و سیگنال ‌آن را تضعیف می‌کند. به طوری که ممکن است طیف رامان در زیر طیف فلورسانس پنهان شده و مشاهده نشود. بنابراین از انواع طیف سنجی رامان استفاده می‌کنند تا سیگنال رامان را تقویت کنند.

طیف سنجی رامان ارتقا یافته سطحی یا Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) سیگنال‌ رامان را تقویت کرده و آن را به اندازه  10^۱۵-۱۰^۱۰ برابر افزایش می‌دهد. SERS تکنیکی است که در آن مولکول‌ها هنگام جذب بر روی یک سطح فلز ناهموار و زبر یا جذب توسط نانو ذرات کلوئیدی، اثر پراکندگی بیشتری از خود نشان می‌دهند.

تاریخچه

این اثر اولین بار توسط شخصی به نام Fleischmann و همکارانش در سال ۱۹۷۴ کشف شد. این گروه طیف رامان پیریدین (Pyridine) را در حضور الکترودی از جنس نقره به دست آوردند. سپس مشاهده کردند که سیگنال رامان به طور چشمگیری افزایش یافته است. در ابتدا آن‌ها این افزایش را به اثر فرکتال (Fractal) مانند نسبت دادند اما مطالعات بعدی نشان داد که این اثر در واقع یک پدیده جدید است. از آن زمان تاکنون SERS مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین در مورد جزئیات دقیق مکانیزم و اندازه آن مطالعاتی در حال انجام است.

طیف سنجی رامان در برابر طیف سنجی رامان ارتقا یافته سطحی

در طیف سنج رامان، پرتوی لیزر مستقیما با نمونه برخورد می‌کند. نور تابشی توسط پیوندهای آنالیت پراکنده می‌شود. این نور پراکنده شده (پراکندگی رامان) غیر الاستیک بوده و خصوصیاتی را در مورد ماده ارائه می‌دهد. پراکندگی رامان توسط آشکارساز طی فرایندی به طیف رامان تبدیل می‌گردد (شکل ۱). در روش رامان ماهیت غیر مخرب آن، امکان شناسایی مولکولی مواد و عدم حساسیت به آب، آن را به یک ابزار تحلیلی مفید برای مطالعات کیفی و کمی تبدیل کرده است. اما با این حال در گذشته از رامان خیلی کم استفاده می‌شد. دلیل آن هم این بود که سیگنال رامان ذاتا ضعیف است و علاوه بر آن پدیده فلورسانس در مواردی موجب می‌شود تا طیف رامان زیر طیف این پدیده پنهان شود. به همین دلیل دانشمندان به فکر تقویت سیگنال رامان بودند تا بتوانند با افزایش سیگنال رامان بر مشکلات ذکر شده غلبه کنند. به این ترتیب بود که SERS کشف شد.

مکانیزم طیف سنجی رامان ارتقا یافته سطحی

از زمان کشف SERS چندین مکانیزم پیشنهاد شده است. با این حال اکنون فقط دو مکانیزم از آن‌ها به طور گسترده پذیرفته شده است که عبارت اند از: نظریه الکترومغناطیسی (electromagnetic (EM)) و تئوری تقویت شیمیایی (chemical enhancement (CE)). نظریه EM بیشتر غالب است زیرا می‌تواند سیگنال رامان را تا ده هزار برابر افزایش دهد. در حالی که CE سیگنال رامان را تا صد برابر بیشتر می‌کند. در مدل EM لیزر تابشی با سطح فلز وارد برهمکنش می‌شود. در اثر این برهمکنش پلاسمون‌های سطحی جایگزیده (localized surface plasmon) تحریک شده و باعث تقویت میدان در نزدیکی سطح می‌شوند. در نظریه CE حالت‌های الکترونی جاذب در اثر جذب شیمیایی تغییر می‌کنند. در پدیده SERS هر دو عامل با هم و هم‌زمان رخ می‌دهند به همین دلیل است که سیگنال رامان می‌تواند تا این حد افزایش یابد.

به طور کلی طیف سنجی رامان ارتقا یافته سطحی بسیار مشابه طیف سنجی رزونانس رامان است. با این تفاوت که تشدید‌های موجود منحصرا از نوع درون مولکولی نیستند.

مکانیزم تقویت شیمیایی

مکانیزم شیمیایی ناشی از برهمکنش مولکول‌ها (جذب شونده) و سطح فلز (جاذب) است. به طور کلی انتقال بار درون مولکولی و بین مولکولی به طور قابل توجهی قله‌های طیف رامان را افزایش می‌دهد.  همچنین تغییر در قطبش پذیری مولکول می‌تواند سیگنال رامان را تقویت کند. سه پدیده در رخ دادن مکانیزم شیمیایی دخیل هستند که هر کدام دارای سهم مجزایی در مکانیزم شیمیایی هستند که با توجه به اهمیت هر سه پدیده، آن‌ها را در ادامه با جزئیات شرح می‌دهیم.

• اثر پیوند شیمیایی بین مولکول و فلز
• پدیده پراکندگی رزونانس رامان
• اثر انتقال بار

اثر پیوند شیمیایی بین مولکول و فلز

زمانی که بین مولکول و فلز پیوند شیمیایی برقرار می‌شود، قطبش پذیری مولکول تغییر می‌کند و در پی آن سیگنال رامان نیز افزایش می‌یابد. وقتی مولکول‌‌های لیگاند ( به مولکول یا یونی که با فلز مرکزی پیوند برقرار کرده و ترکیب کمپلکس می‌دهد، لیگاند گفته می‌شود) به یک فلز مرکزی متصل می‌شوند، همین اتفاق نیز رخ می‌دهد.

پدیده پراکندگی رزونانس رامان

سطح انرژی مولکول‌های جاذب در حالت آزاد با حالتی که پیوند برقرار کرده‌اند متفاوت است. به عنوان مثال فرض کنید که در ابتدا طول‌موج تحریک لیزر با باند جذب الکترونی مولکول در حالت آزاد منطبق نیست. اما وقتی که این مولکول پیوند برقرار می‌کند، طول‌موج تحریک می‌تواند با باند جذب یکی از مولکول‌‌های جذب شده روی بستر فلزی مطابقت داشته باشد. به بیانی دیگر تابش لیزر می‌تواند موجب رزونانس فلز و مولکول شود. به این پدیده پراکندگی رزونانس رامان یا resonance Raman (RR) scattering می‌گویند.

اثر انتقال بار

اثر انتقال بار فقط زمانی رخ می‌دهد که مولکول و فلز به اندازه کافی به هم نزدیک شده باشند. در این صورت تابع موج آن‌ها همپوشانی خواهد داشت. در اثر این همپوشانی الکترون‌ها بین مولکول‌های فلز و مولکول‌های ماده تونل زنی می‌کنند. در پی آن الکترون‌ها از فلز به مولکول و یا از مولکول به فلز منتقل می‌شوند و یون‌های منفی را تشکیل می‌دهند. تقویت رامان زمانی رخ می‌دهد که با تابش  لیزر (فوتون‌‌های نوری) انرژی این یون‌ها دچار تشدید می‌شود. در این پدیده تراز فرمی فلز در بین حالت پایه و حالت برانگیخته مولکول قرار می‌گیرد. مکانیزم انتقال بار به هندسه، نوع پیوند و سطح انرژی مولکول وابسته است.

نظریه الکترومغناطیسی

از نظر تئوری افزایش الکترومغناطیسی، مستقل از مولکول‌‌های ماده جذب شونده است. در حالی که در CE بر اثر برهمکنش‌ها بین مولکول‌های ماده و فلز، تقویت سیگنال رامان رخ می‌دهد. عمده تقویت سیگنال رامان به وسیله این مکانیزم انجام می‌گیرد. همان طور که پیش‌تر گفتیم در SERS از یک بستر (substrate) فلزی ناهموار استفاده می‌شود. ساختار ناهموار را هم می‌توان بر روی خود لایه و هم از طریق لایه‌نشانی نانوذرات فلزهای نجیب بر روی این لایه ایجاد کرد. این نانو ذرات فلزی با توجه به خصوصیات منحصر به فردی (ناشی از ابعاد بسیار کم در حد ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر) که دارند می‌توانند با نور فرودی (نور لیزر) وارد برهمکنش شوند. به بیانی دیگر وقتی این نانو ذرات در یک میدان خارجی قرار می‌گیرند، الکترون‌ها‌ به یک سمت و حفره‌ها به سمت دیگر رانده می‌شوند. به این ترتیب دچار یک نوسان می‌شوند. نوسانات جمعی الکترون‌ها که توسط میدان الکتریکی متناوب نور هدایت می‌شود، نوسانات سطحی پلاسما نامیده می‌شود (شکل ۲). فرکانس چنین نوسانات الکترونی به چگالی الکترون‌ها، جرم موثر الکترون‌ها، شکل و اندازه توزیع بار بستگی دارد. در یک فرکانس خاص نوسانات پلاسمون با نور تشدید می‌شود. سپس شدت میدان الکتریکی و پراکندگی رامان در مولکول‌های متصل به نانوساختارها افزایش می‌یابد. یکی از دلایلی که از سطوح ناهموار به عنوان زیر لایه SERS استفاده می‌شود این است که در نزدیکی این نانوذرات میدان الکتریکی شدیدتر است. همین باعث تشدید پراکندگی رامان می‌شود. یکی دیگر از عوامل استفاده از این سطوح این است که برای این که پراکندگی اتفاق بیفتد نوسانات پلاسمون باید عمود بر سطح باشد؛ اگر نوسانات داخل صفحه سطح باشد، پراکندگی رخ نمی‌دهد.

بسترهای (Substrate) مورد استفاده در SERS

هر بستر فلزی با ساختار نانو که بتواند از تشدید پلاسمون‌های سطحی پشتیبانی کند و سیگنال‌های رامان را تقویت کند، می‌تواند به عنوان بستر به کار گرفته شود. بسترهای SERS به دو دسته تقسیم می‌شوند.

بسترهای مورفولوژی تصادفی

این بسترها که شامل الکترودهای زبر، کلوئیدهای نقره و طلا، جزیره‌های فیلم نازک روی بستر صاف و … است. در میان مورفولوژی تصادفی، کلوئیدهای نقره یا طلا متداول‌ترین بسترهای مورد استفاده در مطالعات اولیه و جدید هستند. زیرا تولید این کلوئیدها در ازمایشگاه‌ها آسان است. همچنین سیگنال رامان را نسبت به سایر بسترها بیشتر تقویت می‌کنند. این کلوئیدهای فلزی از نظر تاریخی نیز حائز اهمیت هستند. زیرا اولین تشخیص تک مولکول با استفاده از SERS به این روش شناسایی شد. در روش‌های مبتنی بر کلوئید، اندازه و هندسه ذرات را می توان با توجه به شرایط آزمایش کنترل کرد. به عنوان مثال شکل این نانو ذرات می‌تواند مکعبی، هشت ضلعی و یا سایر اشکال باشد.

بسترهای مورفولوژی تصادفی از طریق رسوب نانوذرات بر روی سطوح مختلف نیز ساخته می‌شوند. اما در این روش نقاط داغ (Hot spot) به تصادفی روی بستر تولید و توزیع می‌شوند. تفاوت در اندازه و شکل آن‌ها می‌تواند منجر به اختلال در تقویت سیگنال رامان شود. محققان به منظور دستیابی به نقاط داغ ثابت از نانو ذرات، تکنیک‌هایی ارائه داده‌اند. اما این تکنیک‌ها بسیار پیچیده هستند.

بسترهای فلزی با آرایشی مرتب از نانو ساختارهای فلزی

 این نانوساختارها به صورت آرایه‌ای یا دوره‌ای با استفاده از نانولیتوگرافی و سایر تکنیک‌های لایه نشانی بر روی لایه‌های مسطح ایجاد می‌شوند. همان طور که اشاره شد ذرات کلوئیدی به دلایل ذکر شده از محبوبیت ویژه ای برخوردارند. به همین دلیل در این بسترها هم از این نانوذرات کلوئیدی استفاده می‌شود. در روشی نانوکره‌ها را با استفاده از لیتوگرافی در آرایه‌های منظم کنار هم قرار می‌دهند. لیتوگرافی پرتوی الکترونی یکی دیگر از روش‌های ساخت نانو ساختارها است که به طور گسترده در طراحی بسترهای موفولوژی منظم به کار گرفته می‌شود. در این روش نانو ساختارها به طور دوره‌ای و منظم کنار هم قرار می‌گیرند.

کاربردهای SERS

از SERS می‌توان برای تشخیص وجود مولکول های زیستی با فراوانی کم استفاده کرد. بنابراین این روش برای تشخیص پروتئین‌ها در مایعات بدن به کار می‌رود. همچنین برای تشخیص و درمان تومور و سرطان، درمان بیماری‌های عصبی، شناسایی COVID-19 و شناسایی RNA ویروس کرونا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فناوری برای شناسایی اوره و برچسب پلاسمای خون آزاد در سرم انسان می‌توانند در غربالگری سرطان مفید باشد.

از SERS می‌توان برای تجزیه وتحلیل‌ محیط زیست، داروها، تحقییقات هنری و باستان شناسی، پزشکی قانونی، تشخیص مواد مخدر و مواد منفجره، تجزیه و تحلیل مواد غذایی، مطالعه فرایندهای اکسایش ردوکس در سطح مولکول منفرد، تجزیه و تحلیل کمی مولکول های کوچک در مایعات بیولوژیکی انسان، تشخیص کمی فعل و انفعالات بیومولکولی و … استفاده کرد.

جمع بندی

در این مقاله طیف سنجی رامان به روش  SERS را مورد مطالعه قرار دادیم. گفتیم که SERS در واقع روشی است که برای تقویت سیگنال رامان به کار می‌رود. دو مکانیزم برای شرح این تکنیک وجود دارد: مکانیزم افزایش شیمیایی و مکانیزم الکترومغناطیسی. هر یک از این مکانیزم‌ها را به طور کامل در طول مقاله شرح دادیم. همچنین در مورد بستر مورد استفاده در این روش توضیح دادیم و در آخر برخی از کاربردهای SERS را در علوم مختلف بیان کردیم.

منابع

1. https://zaya.io/r34af
2. https://zaya.io/4k6eg
3. https://zaya.io/oxlz3
4. https://zaya.io/8f7ac
5. https://zaya.io/3owgz
6. https://zaya.io/g2uhi