طیف سنجی رامان ارتقا یافته سطحی (SERS)

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.

قبل از این که به تاریخچه و تئوری این روش جذاب بپردازیم، قصد داریم تا یک مقایسه‌ای از طیف رامان و طیف SERS یک نمونه به نام نیتروتیوفیل را به شما نشان دهیم. این نمودار‌ها مربوط به ۰.۱ میلی مولار ۴-نیتروتیوفنول (۴-nitrothiophenol) است. طیف رامان این ماده یک‌ بار بدون نانو ذرات طلا و بار دیگر به کمک نانو ذرات طلا اندازه‌گیری شده است.

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. آن‌ها در ابتدا این افزایش را به اثر فرکتال (Fractal) مانند نسبت دادند اما مطالعات بعدی نشان داد که این اثر در واقع یک پدیده جدید است. در حقیقت دو گروه این یافته‌ها را به شکل متفاوتی تشریح کردند. گروه اول پیشنهاد دادند که سیگنال تقویت شده به دلیل میدان‌های الکتریکی الکتروشیمیایی در سطح فلز است. این نظریه بعدا به عنوان تقویت الکترومغناطیسی شناخته شد. گروه دوم به این نتیجه رسیدند که سیگنال تقویت شده ناشی از تشکیل پیوند مولکول-فلز است. این نظریه نیز بعدها تقویت شیمیایی یا انتقال بار نامیده شد.

تفاوت طیف سنجی رامان و 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 طی فرایندی توسط آشکارساز به طیف رامان تبدیل می‌گردد. طیف‌سنجی رامان ارتقا یافته سطحی به یک سطح ناهموار فلزی و یک تحریک لیزری نیاز دارد. در حقیقت می‌توان گفت که SERS تمام ویژگی‌های طیف سنجی رامان را داراست. با این تفاوت که SERS سیگنال رامان را می‌تواند تا چندین برابر افزایش دهد.

مکانیزم اثر SERS

مکانیزم دقیق SERS هنوز مورد بحث دانشمندان است. اما به کمک دو رهیافت می‌توان تا حد خوبی اثر طیف‌سنجی رامان ارتقا یافته سطحی را توجیه کرد. این دو نظریه همان طور که پیش‌تر هم اشاره شد عبارت‌اند از:

1. تقویت الکترومغناطیسی
2. تقویت شیمیایی

برای درک بهتر این دو مکانیزم هر کدام را در ادامه به طور کامل شرح می‌دهیم. پس با ما همراه باشید.

تقویت الکترومغناطیسی

سهم زیادی از تقویت سیگنال رامان توسط تقویت الکترومغناطیسی انجام می‌گیرد. به طوری که سیگنال رامان تا ۱۰^۱۰ بار تقویت می‌شود. یک فلز ناهموار به عنوان substrate استفاده می‌شود. ساختار ناهموار را می‌توان هم بر روی خود لایه و هم از طریق لایه‌نشانی نانوذرات فلزهای نجیب بر روی این لایه ایجاد کرد.
در تکنیک SERS به طور هم‌زمان دو فرآیند در حال وقوع است که در ادامه به طور کامل به شرح این دو فرآیند خواهیم پرداخت.

تشدید پلاسمون‌های سطحی

برای توضیح چگونگی افزایش سیگنال رامان به کمک SERS ابتدا یک نانو ذره را در نظر بگیرید. در سطح این نانو ذره الکترون‌های آزادی در سطح مشترک فلز و هوا وجود دارد. به این الکترون‌های آزاد پلاسمون‌های سطحی محلی یا localized surface plasmon) LSP) می‌گویند. LSPها با یک فرکانس خاصی در حال نوسان هستند. فرکانس نوسانات الکترونی نانو ذرات به چگالی الکترون‌ها، جرم موثر الکترون‌ها، شکل و اندازه توزیع بار بستگی دارد. این فرکانس برای نانو ذرات طلا و نقره در محدوده فرکانس نور مرئی است. حال نور لیزر به این نانو ذره تابیده می‌شود. نانو ذره در معرض یک میدان الکترومغناطیسی قوی (E_۰) قرار می‌گیرد و به یک دو قطبی القایی تبدیل می‌شود. اگر فرکاس نور تابشی با فرکانس نوسان LSPها در یک محدوده باشد، نوسان LSP دچار تشدید می‌شود که به آن تشدید پلاسمون‌های سطحی یا (Plasmon Resonance LSPR (Localized Surface گفته می‌شود. الکترون‌ها‌ی آزادی که در مرز مشترک فلز و هوا هستند به یک سمت و حفره‌ها به سمت دیگر رانده می‌شوند و یک میدان الکتریکی محلی (E_loc) در نانو ذره به وجود می‌آید (شکل ۴). در نتیجه یک میدان الکتریکی کل E_total که حاصل جمع میدان الکتریکی محلی و میدان الکتریکی نور تابشی است که به دست می‌آید (E_total=E_۰+E_loc). در این مرحله میدان الکتریکی کل E_total مولکول‌های ماده را تحریک می‌کند (ماده‌ای که قرار است طیف رامان آن را به دست آوریم) بنابراین شدت رامان باتوجه به رابطه زیر تقویت می‌شود.

I ~ (E_total= E_۰ + E _loc)^۲

باید توجه کرد که نانو ساختار‌ها از چندین نانو ذره تشکیل شده‌اند. بنابراین در مجاورت یک نانو ذره، نانو ذرات دیگری نیز وجود دارد. در این حالت اثر جفت شدگی بین ذرات به شدت بر LSPR تاثیر می‌گذارد و میدان الکتریکی در نقاط داغ (Hot Spot) به شدت افزایش می‌یابد. در واقع نقاط داغ ناحیه‌هایی هستند که در آن، دو نانو ذره به هم نزدیک هستند و میدان محلی در آن جایگاه به شدت تقویت می‌شود.

تقویت میدان الکتریکی

در فرآیند دوم به سراغ مولکول می‌رویم. همان طور که می‌دانید در تکنیک SERS مولکول به روی بستر SERS‌ قرار می‌گیرد. بنابراین میدان الکتریکی که در مولکول ایجاد شده مجددا توسط میدان الکتریکی محلی نانو ذرات تقویت می‌شود. یعنی E_total=E_mol+E_mol,loc. به این ترتیب سیگنال رامان دوباره تقویت می‌شود (شکل ۶):

I ~ (E_total= E_mol + E _mol,loc)^۲

تقویت شیمیایی

سهم تقویت شیمیایی (نسبت به تقویت الکترومغناطیسی) در SERS بسیار کم است. این رهیافت سیگنال رامان را به اندازه ۱۰^۴ – ۱۰^۲ برابر افزایش می‌دهد. 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 پیک‌های طیف رامان را افزایش می‌دهد. همچنین تغییر در قطبش پذیری مولکول می‌تواند سیگنال رامان را تقویت کند. سه پدیده در رخ دادن مکانیزم شیمیایی دخالت دارند که هر کدام دارای سهم مجزایی در مکانیزم شیمیایی هستند. این پارامترها را مختصری در ادامه توضیح خواهیم داد.

• 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 تشکیل complex می‌دهد، لیگاند گفته می‌شود) به یک فلز مرکزی متصل می‌شوند، همین اتفاق صورت می‌گیرد.

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 زمانی 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 گفته می‌شود.

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.

بسترهای (Substrate) مورد استفاده در SERS

هر ماده‌ای که دارای پلاسمون‌های سطحی باشد می‌تواند به عنوان بستر SERS به کار گرفته شود. ولی باید در نظر گرفت که این بستر باید اندازه، شکل و زبری بهینه‌ای داشته باشد تا بتواند تا جای ممکن سیگنال رامان را تقویت کند. علاوه بر این، آنالیت باید به طور موثری به روی سطح جذب شود. همچنین سطح مقطع رامان نمونه در مقایسه با سطح مقطع رامان سایر عوامل مانند بستر باید بسیار بالا باشد. در غیر این صورت طیف رامان بستر بر طیف رامان نمونه غلبه کرده و نتایج به دست آمده صحیح نخواهد بود.

یکنواخت بودن سطح بستر نیز حایز اهمیت است. اگر سطح بستر همگن و یکنواخت نباشد سیگنال رامان در بخشی بیشتر و در بخشی کمتر تقویت می‌شود. این مسئله تمام طیف به دست‌ آمده را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

انتخاب نوع فلز برای تکنیک SERS به منظور تقویت رامان بسیار مهم است. طلا و نقره متداول‌ترین فلزات مورد استفاده در این زمینه هستند. این فلزها از لحاظ شیمیایی پایدار هستند و فرکانس تشدید پلاسمون‌ آن‌ها در محدوده مرئی و NIR است. با توجه به این‌ که معمولا برای تحریک از لیزر‌هایی با طول موج ۵۳۲ و ۷۸۵ نانومتر استفاده می‌شود، استفاده از این بسترها مناسب‌تر است. شما می‌توانید میکروسکوپ‌های رامان با این دو طول موج به صورت تکی و یا هر دو طول موج را از شرکت تکسان تهیه کنید. طلا رایج‌ترین نانو ‌ ذره یا بستری است که در این تکنینک به کار برده می‌شود. زیرا پایداری شیمیایی بالایی دارد و سمی نیست. در حالی که نقره مستعد اکسید شدن است. سایر فلزات مانند آهن و پلاتین نیز مورد مطالعه و آزمایش قرار گرفتند ولی میزان تقویت آن‌ها نسبت به طلا و نقره بسیار کمتر است.

بستر مورد استفاده در تکنیک SERS انواع مختلفی دارد:

1. نانوذرات حل شده در یک محلول
2. نانوذرات تثبیت شده روی بسترهای جامد
3. نانو ساختارهای ساخته شده به روی بسترهای جامد

هر یک از این بسترها با توجه به عملکردشان در کاربردهای مختلف به کار برده می‌شوند. نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که شکل نانو ذرات می‌تواند عملکرد متفاوتی در SERS، از خود نشان دهد. به عنوان مثال برخی اشکال، سیگنال رامان را بیشتر از سایر شکل‌ها تقویت می‌کنند. نانو ذرات را می‌توان به شکل نانو میله‌ها، نانو مکعب‌ها، نانو ستاره‌ها و نانو کره‌ها سنتز کرد. همان طور که می‌دانید میدان در نقاط نوک تیز تقویت می‌شود. بنابراین انتظار می‌رود که نانو ذراتی با گوشه‌های نوک تیز عملکرد بهتری داشته باشند.

در ادامه دو نمونه از این بسترها را با هم بررسی می‌کنیم.

بسترهای مورفولوژی تصادفی

این بسترها شامل الکترودهای زبر، کلوئیدهای نقره و طلا 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 آزمایشگاه‌ها 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.

بستر نانو ساختارهای فلزی

این نانوساختارها به صورت آرایه‌ای یا تناوبی 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 برخوردار هستند. به همین دلیل در این بسترها هم از این نانوذرات کلوئیدی استفاده می‌شود. در روشی نانو کره‌ها را با استفاده از لیتوگرافی در آرایه‌های منظم کنار هم قرار می‌دهند. لیتوگرافی پرتو 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 redox در سطح مولکول منفرد، تجزیه و تحلیل کمی مولکولهای 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. در واقع گفته شد که SERS روشی است که برای تقویت سیگنال رامان به کار می‌رود. دو مکانیزم برای شرح این تکنیک وجود دارد: مکانیزم تقویت 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