Espectroscopía Raman mejorada en superficie
La Espectroscopia Raman mejorada en superficie o dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) es una técnica sensible a la superficie que mejora la dispersión Raman por moléculas. adsorbido sobre superficies metálicas rugosas o por nanoestructuras como los nanotubos de sílice magnéticos plasmónicos. El factor de mejora puede ser de 1010 a 1011, lo que significa que la técnica puede detectar moléculas individuales.
Historia
El SERS de piridina adsorbida sobre plata electroquímicamente rugosa fue observado por primera vez por Martin Fleischmann, Patrick J. Hendra y A. James McQuillan en el Departamento de Química de la Universidad de Southampton, Reino Unido, en 1973. Esta publicación inicial ha sido citada más de 6000 veces. El 40º aniversario de la primera observación del efecto SERS ha sido marcado por la Royal Society of Chemistry con la concesión de una placa de Monumento Nacional Químico a la Universidad de Southampton. En 1977, dos grupos observaron de forma independiente que la concentración de especies dispersas no podía explicar la señal mejorada y cada uno propuso un mecanismo para la mejora observada. Todavía se aceptan sus teorías para explicar el efecto SERS. Jeanmaire y Richard Van Duyne propusieron un efecto electromagnético, mientras que Albrecht y Creighton propuso un efecto de transferencia de carga. Rufus Ritchie, de la División de Investigación de Ciencias de la Salud del Laboratorio Nacional Oak Ridge, predijo la existencia del plasmón superficial.
Mecanismos
El mecanismo exacto del efecto de mejora de SERS sigue siendo un tema de debate en la literatura. Hay dos teorías principales y, si bien sus mecanismos difieren sustancialmente, distinguirlas experimentalmente no ha sido sencillo. La teoría electromagnética propone la excitación de plasmones superficiales localizados, mientras que la teoría química propone la formación de complejos de transferencia de carga. La teoría química se basa en la espectroscopia de resonancia Raman, en la que la coincidencia de frecuencia (o resonancia) de la energía del fotón incidente y la transición del electrón mejora en gran medida la intensidad de la dispersión Raman. La investigación realizada en 2015 sobre una extensión más poderosa de la técnica SERS llamada SLIPSERS (SERS poroso con infusión de líquido resbaladizo) ha respaldado aún más la teoría EM.
Teoría electromagnética
El aumento de la intensidad de la señal Raman para adsorbatos en superficies particulares se produce debido a una mejora en el campo eléctrico proporcionado por la superficie. Cuando la luz del incidente en el experimento golpea la superficie, los plasmones superficiales localizados están excitados. El realce de campo es mayor cuando la frecuencia de plasmón, ωp, está en resonancia con la radiación ( para partículas esféricas). Para que se produzca la dispersión, las oscilaciones de plasmón deben ser perpendiculares a la superficie; si están en plan con la superficie, no habrá dispersión. Es debido a este requisito que las superficies o los arreglos de nanopartículas se emplean típicamente en experimentos SERS ya que estas superficies proporcionan un área en la que pueden ocurrir estas oscilaciones colectivas localizadas. La mejora del SERS puede ocurrir incluso cuando una molécula excitada está relativamente lejos de la superficie que alberga nanopartículas metálicas que permiten fenómenos de plasmón superficial.
La luz que incide sobre la superficie puede provocar una variedad de fenómenos en la superficie, pero la complejidad de esta situación puede minimizarse mediante superficies con características mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz, ya que sólo la contribución dipolar será reconocida por el sistema. El término dipolar contribuye a las oscilaciones del plasmón, lo que conduce al realce. El efecto SERS es tan pronunciado porque la mejora del campo se produce dos veces. Primero, la mejora del campo magnifica la intensidad de la luz incidente, lo que excitará los modos Raman de la molécula que se está estudiando, aumentando así la señal de dispersión Raman. Luego, la superficie amplifica aún más la señal Raman debido al mismo mecanismo que excitó la luz incidente, lo que resulta en un mayor aumento en la salida total. En cada etapa, el campo eléctrico aumenta como E2, para una mejora total de E4.
La mejora no es igual para todas las frecuencias. Para aquellas frecuencias para las cuales la señal Raman está ligeramente desplazada de la luz incidente, tanto la luz láser incidente como la señal Raman pueden estar cerca de la resonancia con la frecuencia del plasmón, lo que lleva a la mejora E4. Cuando el cambio de frecuencia es grande, la luz incidente y la señal Raman no pueden estar ambas en resonancia con ωp, por lo que la mejora en ambas etapas no puede ser máxima.
La elección del metal de la superficie también está dictada por la frecuencia de resonancia del plasmón. Se utiliza radiación visible y del infrarrojo cercano (NIR) para excitar los modos Raman. La plata y el oro son metales típicos para los experimentos SERS porque sus frecuencias de resonancia de plasmón se encuentran dentro de estos rangos de longitud de onda, lo que proporciona una mejora máxima para la luz visible y NIR. El espectro de absorción del cobre también se encuentra dentro del rango aceptable para los experimentos SERS. Las nanoestructuras de platino y paladio también muestran resonancia de plasmón dentro de las frecuencias visibles y NIR.
Teoría química
La espectroscopia de resonancia Raman explica la enorme mejora de la intensidad de la dispersión Raman. Las transferencias de carga intermoleculares e intramoleculares mejoran significativamente los picos del espectro Raman. En particular, la mejora es enorme para las especies que adsorben la superficie del metal debido a las transferencias de carga de alta intensidad desde la superficie del metal con banda ancha a las especies adsorbentes. Esta mejora de resonancia Raman es dominante en SERS para especies en pequeños nanoclusters con bandas prohibidas considerables, porque el plasmón de superficie aparece solo en superficies metálicas con bandas prohibidas cercanas a cero. Este mecanismo químico probablemente ocurre en conjunto con el mecanismo electromagnético de la superficie del metal.
Superficies
Si bien SERS se puede realizar en soluciones coloidales, hoy en día el método más común para realizar mediciones SERS es depositar una muestra líquida sobre una superficie de silicio o vidrio con una superficie de metal noble nanoestructurada. Si bien los primeros experimentos se realizaron con plata rugosa electroquímicamente, ahora las superficies se preparan a menudo utilizando una distribución de nanopartículas metálicas en la superficie, así como utilizando litografía o silicio poroso como soporte. También se han utilizado nanopilares de silicio bidimensionales decorados con plata para crear sustratos activos SERS. Los metales más comunes utilizados para superficies plasmónicas en luz visible SERS son la plata y el oro; sin embargo, el aluminio se ha explorado recientemente como material plasmónico alternativo, porque su banda de plasmón se encuentra en la región UV, a diferencia de la plata y el oro. Por lo tanto, existe un gran interés en utilizar aluminio para UV SERS. Sin embargo, sorprendentemente también se ha demostrado que tiene una gran mejora en el infrarrojo, lo cual no se comprende completamente. En la década actual, se ha reconocido que el costo de los sustratos SERS debe reducirse para convertirse en una técnica de medición de química analítica de uso común. Para satisfacer esta necesidad, el papel plasmónico ha recibido una amplia atención en el campo, con sustratos SERS altamente sensibles que se forman mediante métodos como remojo, síntesis in situ, serigrafía e impresión por inyección de tinta.
La forma y el tamaño de las nanopartículas metálicas afectan fuertemente la fuerza de la mejora porque estos factores influyen en la proporción de eventos de absorción y dispersión. Existe un tamaño ideal para estas partículas y un espesor de superficie ideal para cada experimento. Si la concentración y el tamaño de las partículas se pueden ajustar mejor para cada experimento, esto contribuirá en gran medida a la reducción de costos de los sustratos. Las partículas demasiado grandes permiten la excitación de multipolos, que no son radiativos. Como sólo la transición dipolar conduce a la dispersión Raman, las transiciones de orden superior provocarán una disminución en la eficiencia general de la mejora. Las partículas demasiado pequeñas pierden su conductancia eléctrica y no pueden mejorar el campo. Cuando el tamaño de partícula se acerca a unos pocos átomos, la definición de plasmón no se cumple, ya que debe haber una gran colección de electrones para oscilar juntos. Un sustrato SERS ideal debe poseer una alta uniformidad y una alta mejora del campo. Dichos sustratos se pueden fabricar a escala de oblea y también se ha demostrado la microscopía de superresolución sin etiquetas utilizando las fluctuaciones de la señal de dispersión Raman mejorada en la superficie en metasuperficies plasmónicas de alto rendimiento y altamente uniformes.
Debido a sus propiedades físicas y químicas únicas, los materiales bidimensionales (2D) han ganado una atención significativa como sustratos alternativos para la espectroscopía Raman de superficie mejorada (SERS). El uso de materiales 2D como sustratos SERS ofrece varias ventajas sobre los sustratos metálicos tradicionales, incluida una alta sensibilidad, reproducibilidad y estabilidad química.
El grafeno es uno de los materiales 2D más estudiados para aplicaciones SERS. El grafeno tiene una gran superficie, una alta movilidad de electrones y una excelente estabilidad química, lo que lo convierte en un sustrato atractivo para SERS. También se ha demostrado que los sensores SERS basados en grafeno son altamente reproducibles y estables, lo que los hace atractivos para aplicaciones del mundo real. Además del grafeno, también se han investigado otros materiales 2D, especialmente MXenes, para aplicaciones SERS. Los MXenes tienen una gran superficie, buena conductividad eléctrica y estabilidad química, lo que los hace atractivos para aplicaciones SERS. Como resultado, se han utilizado sensores SERS basados en MXene para detectar diversos analitos, incluidas moléculas orgánicas, fármacos y sus metabolitos.
A medida que continúen la investigación y el desarrollo, los sensores SERS basados en materiales 2D probablemente se utilizarán más ampliamente en diversas industrias, incluida la monitorización ambiental, la atención médica y la seguridad alimentaria.
Aplicaciones
Los sustratos SERS se utilizan para detectar la presencia de biomoléculas de baja abundancia y, por lo tanto, pueden detectar proteínas en fluidos corporales. La detección temprana de biomarcadores de cáncer de páncreas se logró mediante un método de inmunoensayo basado en SERS. Se utiliza una plataforma de detección de biomarcadores de proteínas multiplex basada en SERS en un chip de microfluidos para detectar varios biomarcadores de proteínas para predecir el tipo de enfermedad y biomarcadores críticos y aumentar la posibilidad de diferenciar enfermedades con biomarcadores similares como cáncer de páncreas, cáncer de ovario y pancreatitis. Esta tecnología se ha utilizado para detectar urea y plasma sanguíneo libres de etiquetas en suero humano y puede convertirse en la próxima generación en la detección y detección del cáncer.
La capacidad de analizar la composición de una mezcla a nanoescala hace que el uso de sustratos SERS sea beneficioso para análisis ambientales, productos farmacéuticos, ciencias de materiales, investigación artística y arqueológica, ciencias forenses, detección de drogas y explosivos, análisis de calidad de alimentos, y detección de células de algas únicas. El SERS combinado con la detección plasmónica se puede utilizar para el análisis cuantitativo de alta sensibilidad de moléculas pequeñas en biofluidos humanos, la detección cuantitativa de interacciones biomoleculares, la detección de biomarcadores de cáncer de bajo nivel a través de plataformas de inmunoensayo tipo sándwich, la caracterización sin etiquetas de exosomas y el estudio de procesos redox a nivel de una sola molécula.
SERS es una poderosa técnica para determinar información estructural sobre sistemas moleculares. Ha encontrado una amplia gama de aplicaciones en detección química ultrasensible y análisis ambientales.
En 2020 se publicó una revisión de las aplicaciones presentes y futuras de SERS.
Reglas de selección
El término espectroscopia Raman mejorada de superficie implica que proporciona la misma información que la espectroscopia Raman tradicional, simplemente con una señal muy mejorada. Si bien los espectros de la mayoría de los experimentos SERS son similares a los espectros mejorados fuera de la superficie, a menudo existen diferencias en la cantidad de modos presentes. Modos adicionales que no se encuentran en el espectro Raman tradicional pueden estar presentes en el espectro SERS, mientras que otros modos pueden desaparecer. Los modos observados en cualquier experimento espectroscópico están dictados por la simetría de las moléculas y generalmente se resumen en reglas de selección. Cuando las moléculas se adsorben en una superficie, la simetría del sistema puede cambiar, modificando ligeramente la simetría de la molécula, lo que puede dar lugar a diferencias en la selección del modo.
Una forma común en la que se modifican las reglas de selección surge del hecho de que muchas moléculas que tienen un centro de simetría pierden esa característica cuando se adsorben en una superficie. La pérdida de un centro de simetría elimina los requisitos de la regla de exclusión mutua, que dicta que los modos sólo pueden ser activos Raman o infrarrojos. Así, modos que normalmente aparecerían sólo en el espectro infrarrojo de la molécula libre pueden aparecer en el espectro SERS.
La simetría de una molécula se puede cambiar de diferentes maneras dependiendo de la orientación en la que la molécula está unida a la superficie. En algunos experimentos, es posible determinar la orientación de la adsorción hacia la superficie a partir del espectro SERS, ya que estarán presentes diferentes modos dependiendo de cómo se modifique la simetría.
SERS remoto
La espectroscopía Raman mejorada en superficie remota (SERS) consiste en el uso de guías de nanoondas metálicas que soportan polaritones de plasmón superficial (SPP) en propagación para realizar SERS en una ubicación distante diferente a la del láser incidente.
Se ha utilizado la propagación de SPP soportados por nanocables para mostrar la excitación remota, así como la detección remota de SERS. También se utilizó un nanocables de plata para mostrar la excitación y detección remotas utilizando grafeno como dispersor Raman.
Aplicaciones
Ya se han utilizado diferentes sistemas plasmónicos para demostrar la detección Raman de biomoléculas in vivo en células y la excitación remota de reacciones catalíticas de superficie.
Inmunoensayos
Los inmunoensayos basados en SERS se pueden utilizar para la detección de biomarcadores de baja abundancia. Por ejemplo, se pueden utilizar anticuerpos y partículas de oro para cuantificar proteínas en suero con alta sensibilidad y especificidad.
Dirección de oligonucleótidos
SERS se puede utilizar para apuntar a secuencias específicas de ADN y ARN utilizando una combinación de nanopartículas de oro y plata y colorantes activos Raman, como Cy3. Mediante esta técnica se pueden identificar polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) específicos. Las nanopartículas de oro facilitan la formación de una capa de plata en las regiones de ADN o ARN marcadas con tinte, lo que permite realizar SERS. Esto tiene varias aplicaciones potenciales: por ejemplo, Cao et al. informan que las secuencias genéticas del VIH, el Ébola, la hepatitis y el Bacillus Anthracis se pueden identificar de forma única mediante esta técnica. Cada espectro era específico, lo que resulta ventajoso sobre la detección por fluorescencia; Algunos marcadores fluorescentes se superponen e interfieren con otros marcadores genéticos. La ventaja de esta técnica para identificar secuencias de genes es que hay varios colorantes Raman disponibles comercialmente, lo que podría conducir al desarrollo de sondas que no se superpongan para la detección de genes.