Αρχές Ενόργανης Ανάλυσης (6η έκδοση) Φασματοσκοπία (4η Διάλεξη) Βιβλιογραφία Skoog, Holler, Crouch Αρχές Ενόργανης Ανάλυσης (6η έκδοση) (Κεφάλαιο 16, 17) Εκδόσεις Κωσταράκη, 2007

(3η Διάλεξη) Φασματοσκοπία Raman Βασικές Αρχές Πολωσιμότητα Εφαρμογές

νAS νo ν0 νS Βασικές Αρχές Διαφορετικοί τύποι σκέδασης Ενεργειακό Διάγραμμα IR absorbance Η αλλαγή στην ενέργεια δίνει πληροφορίες σχετικά με τις δονητικές καταστάσεις στο μόριο Δύο είδη σκεδάσεων: Rayleigh (1 στα 10,000) ίδια συχνότητα (ελαστική σκέδαση) Raman (1 στα 10,000,000) διαφορετικές συχνότητες (ανελαστική σκέδαση)

Φασματοσκοπία Raman (βασικές αρχές) ethanol (CH3CH2OH) 𝚫𝒘= 𝟏 𝝀 𝟎 − 𝟏 𝝀 𝟏 (𝐜 𝐦 −𝟏 ) Raman Shift excitation wavelength Raman scattering wavelength Γράφημα της έντασης της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας σε συνάρτηση της διαφοράς συχνότητας σε σχέση με την αρχική (προσπίπτουσα) ακτινοβολία Raman Shift Στη φασματοσκοπία Raman η διαφορά στις συχνότητες της προσπίπτουσας και σκεδαζόμενης ακτινοβολίας καθορίζεται από τις μεταβολές που γίνονται στο εσωτερικό του μορίου

Holographic edge filter Σχηματική αναπαράσταση του μικροσκοπίου Raman Laser Mirror Μirror Holographic edge filter Lens Sample Objective lens Spectrograph CCD Computer Detector ● Δέσμη λέιζερ διέρχεται από ένα φακό και στη συνέχεια από μία μικρή οπή ενός κατόπτρου με καμπύλη ανακλαστική επιφάνεια ● Η δέσμη προσπίπτει στο δείγμα και το σκεδαζόμενο φως εκτρέπεται και ταυτόχρονα εστιάζεται μέσω του κατόπτρου ● Το φάσμα αναλύεται από ένα μονοχρωμάτορα ή συμβολόμετρο

Προϋποθέσεις για να παρατηρηθεί σκέδαση Raman Η ηλεκτρονιακή κατανομή στο H2 παραμορφώνεται περισσότερο όταν το πεδίο εφαρμόζεται παράλληλα στο δεσμό από όταν εφαρμόζεται κάθετα H2 Μεταβολή της πολωσιμότητας κατά τη διάρκεια της δόνησης Η πολωσιμότητα μπορεί να είναι διαφορετική αν το πεδίο εφαρμόζεται α) παράλληλα ή β) κάθετα στον άξονα του μορίου Διαφορετική πολωσιμότητα το μόριο έχει ανισότροπη πολωσιμότητα  µ = α E Πολωσιμότητα εκφράζει την ευκολία με την οποία το ηλεκτρονικό νέφος του μορίου μπορεί να “παραμορφωθεί”

νL ΔE = hνvib νS = νL-νvib υ =1 υ = 0 Raman shift = νL- νS = νvib Virtual state υ = 0 υ =1 Calcite (CaCO3) Raman shift = νL- νS = νvib

Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) (4η Διάλεξη) Φασματοσκοπία Raman Ενίσχυσης Πεδίου Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) Φασματοσκοπία Αποσβένουσας Ολικής Ανάκλασης (Attenuated Total Reflectance, ATR)

Εφαρμογές Raman γραφένιο

Φάσματα Raman σε μίγματα rutile : mineral synthetic from 1947 TiO2

Φασματοσκοπία Raman Ενίσχυσης Πεδίου Surface Enhanced Raman Scattering (SERS)

Φασματοσκοπία Raman Ενίσχυσης Πεδίου Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) Δύο είδη σκεδάσεων: Rayleigh (1 στα 10,000) Raman (1 στα 10,000,000) Raman Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα • Δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μέταλλα και κράματα • Το φαινόμενο της σκέδασης Raman είναι “ασθενές”, για την ανίχνευση απαιτείται υψηλής εξειδίκευσης/ανάλυσης εξοπλισμός • Ο φθορισμός από προσμίξεις ή από το ίδιο το δείγμα που μπορεί να υπερκαλύψει τη σκέδαση Raman • Ανάλυση στερεών, υγρών και αεριών • Δε χρειάζεται προ-επεξεργασία του δείγματος • Δεν έχουμε παρεμπόδιση από το νερό • Μη καταστρεπτική • Γρήγορη τεχνική • Μικρή ποσότητα δείγματος απαιτείται Process Cross-Section of σ (cm2) emission Fluorescence 10-19 scattering Rayleigh 10-26 Raman 10-29

Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) (1977) Παρατηρήσεις Surface-enhanced Raman spectroscopy απαιτεί:  Συγκεκριμένα μέταλλα (e.g. Au, Ag, Cu, Pt, ...)  Επιφάνειες με τραχύτητα (roughness) στην κλίμακα των νανομέτρων  Εξαρτάται από το μήκος κύματος διέγερσης  Δεν παρατηρείται ενίσχυση για μόρια όπως το νερό η μεθανόλη καθώς και για περισσότερους διαλύτες  Συγκεκριμένα μόρια παρουσιάζουν έντονη ενίσχυση σήματος Raman (κυρίως μόρια με διπλούς δεσμούς άνθρακα)

Surface-enhanced Raman spectroscopy: Λήψη φασμάτων σε δείγματα που είναι προσροφημένα στην επιφάνεια κολλοειδών σωματιδίων μετάλλων (Ag, Au ή Cu) ή σε τραχείες επιφάνειες των μετάλλων αυτών. Διάφορες τεχνικές χειρισμού δείγματος για φασματοσκοπία SERS  Κολλοειδή σωματίδια ευγενών μετάλλων αιωρούνται σε ένα αραιό (υδατικό) διάλυμα του δείγματος. Το διάλυμα συγκρατείται ή ρέει μέσα σε ένα στενό γυάλινο σωλήνα καθώς διεγείρεται από μία δέσμη laser.  Ένα λεπτό φιλμ κολλοειδών σωματιδίων του μετάλλου τοποθετείται σε γυάλινο πλακίδιο και πάνω στο φιλμ προστίθενται σταγόνες διαλύματος του δείγματος.  Το δείγμα μπορεί να αποτεθεί σε ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο τραχείας επιφάνειας το οποίο απομακρύνεται στη συνέχεια από το διάλυμα και εκτίθεται στην πηγή διέγερσης laser.  Λήψη φάσματος Raman

Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) Η τεχνική SERS είναι επιφανειακή τεχνική/φαινόμενο και βασίζεται με τη διαμόρφωση του υποστρώματος το οποίο ενισχύει τη σκέδαση Raman, του υλικού που αναλύεται Το προς ανάλυση υλικό εναποτίθεται στο υπόστρωμα και η ενίσχυση μπορεί να είναι έως 15 τάξεις μεγέθους Σχηματικό διάγραμμα διάταξης για SERS Το φαινόμενο SERS προκαλείται από αλληλεπίδραση με επιφανειακά πλασμόνια. Τα επιφανειακά πλασμόνια βρίσκονται σε μέταλλα επομένως η τυπική επιλογή επιφάνειας είναι Ag ή Au. Για να συμβεί η σκέδαση οι ταλαντώσεις των πλασμονίων πρέπει να είναι κάθετες στην επιφάνεια. Αυτό προϋποθέτει πως η επιφάνεια πρέπει να έχει κάποια τραχύτητα (φυσική ή με τη χρήση νανο-σωματιδίων).

Επιφανειακά πλασμόνια ● Η έννοια του πλασμονίου ως θεωρητικό σωματίδιο (quasiparticle) διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τον R.H. Ritchie to 1957, για να εξηγήσει τις ιδιαίτερες απώλειες που παρατηρούσε στα ηλεκτρόνια που ταξίδευαν με ταχύτητα μέσα από λεπτά μεταλλικά στρώματα. ● Το πλασμόνιο είναι το κβάντο της διαταραχής της πυκνότητας των ηλεκτρονίων μέσα σε αγώγιμα μέσα. Επιφανειακό πλασμόνιο στη διεπαφή μετάλλου-διηλεκτρικού ● Όταν το μέταλλο-αγωγός έρθει σε επαφή με κάποιο διηλεκτρικό (π.χ. αέρα), στην διεπαφή τους δημιουργούνται τα λεγόμενα επιφανειακά πλασμόνια. Ηλεκτρομαγνητικά επιφανειακά κύματα που διαδίδονται στη διεπαφή μετάλλου-διηλεκτρικού από την κίνηση των e-.

Η ενίσχυση του σήματος οφείλεται σε δύο μηχανισμούς: Χημική ενίσχυση (CHEM) Ηλεκτρομαγνητική ενίσχυση (EM) Χημική ενίσχυση Ο μηχανισμός της χημικής ενίσχυσης συνεισφέρει ένα παράγοντα ενίσχυσης 102 και οφείλεται σε φαινόμενο μεταφοράς φορτίου μεταξύ της μεταλλικής επιφάνειας και του μορίου. Ο μηχανισμός είναι τοπο-εκλεκτικός και εξαρτώμενος από το προς ανάλυση μόριο. Το μόριο πρέπει να προσροφηθεί απευθείας στην τραχεία μεταλλική επιφάνεια ώστε να έχουμε ενίσχυση. Χημικός Δεσμός μετάλλου και μορίου προς ανάλυση Ηλεκτρομαγνητική ή φυσική ενίσχυση Ο μηχανισμός της ηλεκτρομαγνητικής ή φυσικής ενίσχυσης είναι σημαντικότερος και ερμηνεύεται ως η αλληλεπίδραση τόσο του εισερχομένου όσο και του σκεδαζόμενου ηλεκτρικού πεδίου με ένα διεγερμένο επιφανειακό πλασμόνιο. Ο παράγοντας ενίσχυσης είναι μεγαλύτερος από 104.

Η ενίσχυση και στις δύο διαδικασίες εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ του υποστρώματος και του αναλυόμενου μορίου Σημαντικοί παράμετροι για την ενίσχυση αφορούν το σχήμα και τη θέση που το μόριο κατά προτίμηση έχει όταν δεσμεύεται στη μεταλλική επιφάνεια. Επίσης το μέγεθος και το υλικό της επιφανείας (τραχύτητα νανο-κλίμακας) SERS μία επιφανειακή τεχνική που ενισχύει τη σκέδαση Raman από μόρια που προσροφούνται σε τραχύς μεταλλικές επιφάνειες Σχηματική απεικόνιση δέσμευσης μορίων σε μεταλλική επιφάνεια νανο-σωματιδίων A. Brambilla et al., J. Molec. Structure, 2013, 1044, 121-127 “Adapting and testing a portable Raman spectrometer for SERS analysis of amino acids and small peptides.” Ag nanoparticles L-Met L-Phe

Μπορούν όλα τα μέταλλα να χρησιμοποιηθούν ως υποστρώματα SERS??? Το laser ακτινοβολεί τη μεταλλική επιφάνεια και διεγείρει επιφανειακά πλασμόνια. Αν η συχνότητα του laser είναι σε συντονισμό με τα πλασμόνια η ενίσχυση μεγιστοποιείται. Μπορούν όλα τα μέταλλα να χρησιμοποιηθούν ως υποστρώματα SERS??? http://www.timkelf.com/ Συντονισμός μεταξύ laser και επιφανείας μετάλλου ώστε να δημιουργηθούν τα επιφανειακά πλασμόνια 2. Να μην είναι “ιδιαίτερα” δραστικά 3. Να έχουν χαρακτηριστική τραχύτητα (επιφανειακή) Άργυρος (Ag), χρυσός (Au), παλλάδιο (Pd), πλατίνα (Pt) Σημαντικοί παράγοντες: Σχήμα και μέγεθος Au spheres Ag nanorods Different sizes or metals 2. Επιφανειακή δραστικότητα (οξείδωση) συντονισμός με laser Cu πολύ “δραστικός”

SERS spectra of Rhodamine 6G (1μM) and crystal violet (1μM), λexc:633 nm

Φάσματα απορρόφησης νανοσωματιδίων Ag, Au Περιοχές μηκών κύματος που τα νανοσωματίδια Ag, Au, Cu χρησιμοποιούνται ως υποστρώματα SERS

“hot spots” “Plasmonic colorimetric and SERS sensors for environmental analysis” Environmental Science Nano, 2015, 2, 120-135 H. Wei, S. M. H. Abtahi and P. J. Vikesland

“hot-spots” http://www.silmeco.com Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου γύρω από νανοσωματίδιο Au (20 nm). Το πεδίο είναι πολωμένο (x- αξονα) και το μήκος κύματος: 522 nm Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου γύρω από ένα διμερές νανοσωματίδιο Au (20 nm). Το πεδίο είναι πολωμένο (x- αξονα) και εσωτερική απόσταση 2 nm. Το μήκος κύματος: 553 nm “hot-spots” D. Radziuk and H. Moehwald “Highly effective hot spots for SERS signatures of live fibroblasts” Nanoscale, 2014, 6, 6115–6126 http://www.silmeco.com

Στερεά Μεταλλικά Υποστρώματα (Au, Ag, Pt, Pd) Υποστρώματα SERS Στερεά Μεταλλικά Υποστρώματα (Au, Ag, Pt, Pd)  Τραχείες μεταλλικές επιφάνειες  Τοποθετούνται σε γυαλάκια μικροσκοπίου 2. Κολλοειδή διαλύματα (colloids solutions) Μέσω απλών χημικών αντιδράσεων Gold Nanoparticles: Spheres 5-100 nm Silver Nanoparticles: Spheres 4-200 nm 3. Sol-gel αντιδράσεις Ο όρος «sol-gel» αποδίδεται σε όλες τις διεργασίες κατά τις οποίες ένα διάλυμα (sol) μετατρέπεται σε μία άκαμπτη πορώδες μάζα, δηλαδή μία γέλη/πήκτωμα (gel). Μία διαδικασία κατά την οποία σχηματίζονται μεγάλα ανόργανα πολυμερή.

Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα Υποστρώματα SERS Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα Σταθερότητα: O Au δεν οξειδώνεται όπως ο Ag Έλεγχος μεγέθους σωματιδίων: O Au είναι πιο “εύκολα διαχειρίσιμος” Επιφανειακή τροποποίηση: Ο Ag περισσότερος “δραστικός” (δεσμός Ag-S) Τα νανοσωματίδια στα κολλοειδή διαλύματα καθιζάνουν αλλά με την πάροδο του χρόνου μπορεί να αιωρούνται πάλι στο διάλυμα ● Μη επαναλαμβανόμενα αποτελέσματα ● Διαλύματα βαρέως μετάλλων

Φωτογραφίες από Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης υποστρωμάτων SERS Au Ag M. Kahraman, E. R. Mullen, A. Korkmaz and S. Wachsmann-Hogiu “Fundamentals and applications of SERS-based bioanalytical sensing” Nanophotonics, 2017

Σύνθεση κολλοειδούς διαλύματος νανο-σωματιδίων Ag Based on paper: J. Phys. Chem. 1982, 86, 3391-3395 339 P. C. Lee and D. Meisel Νιτρικός άργυρος / νερό και θέρμανση μέχρι βρασμού. Στη συνέχεια προσθήκη διαλύματος 1% κιτρικού νατρίου και θέρμανση για 1 ώρα Υδατικό διάλυμα γκρι-πράσινου χρώματος σφαιρικών σωματιδίων Ag (~30-40 nm) TEM image of the Ag colloid Absorption spectrum of Ag nanoparticles

ή μεταλλικό ή Si substrate και μέτρηση Raman Διαδικασία: Μία σταγόνα δ/τος ροδαμίνης τοποθετείται σε γυαλάκι μικροσκοπίου ή μεταλλικό ή Si substrate και μέτρηση Raman Για SERS: Αρχικά μία σταγόνα δ/τος ροδαμίνης τοποθετείται στο υπόστρωμα και στη συνέχεια προσθήκη μίας σταγόνας διαλύματος νανοσωματιδίων Ag και μέτρηση R6G 10-4M in water

SER spectra (black line) Raman spectra (grey line) Αποτελέσματα egg white SERS bands (cm-1) Assignment 481 CCC deformation 1132 C-N stretching 1217 amide III (NH) 1321,1443 CH2 deformation 1582 NH2 deformation SER spectra (black line) Raman spectra (grey line) A. Philippidis et al., Microchemical Journal, 2016, 126, 230-236 “Surface Enhanced Raman and 2D-Fluorescence spectroscopy for the investigation of amino acids and egg proteins.”

http://www.horiba.com 1mM of Dithiothreitol (DTT) 1mM of 1,2-bis(4-pyridyle)ethene (BPE) http://www.horiba.com

SERS: dye adsorbed to Au nanoparticles Raman: dye in solution SERS: dye adsorbed to Au nanoparticles Malachite Green SERS Quantifies Toxic Melamine in Infant Formula https://oceanoptics.com

Συστήματα Raman Chemistry Department, University of Crete (Thermo Nicolet Almega XR) (BWTEK)

Αρχές Ενόργανης Ανάλυσης (6η έκδοση) Thermo Fisher Scientific “Introduction to Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) for Routine Analytical Environments” T.O. Deschaines, D. Wieboldt Thomas Huser (2007) “Introduction to Surface-enhanced Raman Spectroscopy” Skoog, Holler, Crouch Αρχές Ενόργανης Ανάλυσης (6η έκδοση) Εκδόσεις Κωσταράκη, 2007