SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) to niezwykle czuła laboratoryjna metoda analizy składu chemicznego. Do tej pory główną przeszkodą w jej powszechnym stosowaniu były niskiej jakości podłoża, na które nanoszono próbki. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN opracowali nowe, gwarantujące powtarzalność pomiarów i odpowiednie wzmocnienie sygnałów.
W IChF PAN już kilka lat temu zaprezentowano prototypowe podłoża spełniające wszystkie wymogi niezbędne do przekształcenia SERS w rutynową, powszechną technikę laboratoryjną. Obecnie, po kolejnych udoskonaleniach i testach (za które, w ciągu ostatnich czterech lat, odpowiedzialny był mgr inż. Paweł Albrycht), nowe podłoża, już z normami ISO, stają się dostępne dla wszystkich zainteresowanych dzięki działającej w ramach IChF PAN inicjatywie SERSitive (www.sersitive.eu), finansowanej ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Rozpoczynająca się właśnie produkcja i dystrybucja podłoży SERSitive będzie prowadzona nie w odrębnej firmie, lecz w ramach działań statutowych IChF PAN. Informacje dotyczące podłoży SERS i ich produkcji przedstawiono na odbywającej się w sierpniu konferencji 20th International Conference on Spectroscopy and Spectral Analysis (ICSSA 2018), w Vancouver w Kanadzie.
SERS wykorzystuje subtelne zjawisko fizyczne. Gdy światło pada na cząsteczkę, fotony są pochłaniane i wkrótce emitowane ponownie, niemal zawsze z tą samą energią, co niesiona przez zaabsorbowany foton (jest to tzw. rozpraszanie rayleighowskie). Zdarza się jednak, że podczas absorpcji część energii pochłanianego fotonu zwiększy energię drgań lub obrotów cząsteczki. W takim przypadku emitowany nieco później foton będzie miał odrobinę mniejszą energię od pierwotnego. Analogicznie, może dojść do sytuacji, gdy energia wyemitowanego fotonu nieco się zwiększy, ponieważ uniesie on część energii drgań lub obrotów cząsteczki. Mówimy wtedy o rozpraszaniu ramanowskim. W zarejestrowanym widmie cząsteczki, po obu stronach częstotliwości typowej dla rozpraszania rayleighowskiego, pojawią się wówczas piki wynikające ze zjawiska Ramana. Sygnał ramanowski w widmie jest jednak bardzo słaby, ponieważ w ten sposób rozprasza się tylko jeden foton na miliony innych. Sygnał ramanowski może się wzmocnić miliony, a niekiedy nawet miliardy razy, jeśli cząsteczki analizowanego związku będą osadzone na silnie schropowaconym podłożu. Główne problemy z nimi polegały na tym, że powinny one być powtarzalne i jednorodne, a przy tym uniwersalne przynajmniej pod kątem zastosowań w badaniach określonej grupy związków chemicznych. Aby wyeliminować tło w widmach, muszą też być czyste, a jednocześnie powinny zapewniać duże wzmocnienie sygnału, a dostępne do tej pory podłoża nie gwarantowały stabilnego wzmocnienia.
– Wyzwaniem okazało się nie tyle osiągnięcie dobrego wyniku w poszczególnych parametrach, ile spełnienie wszystkich wymogów jednocześnie. W praktyce skala trudności okazała się tak wielka, że przez kilkadziesiąt lat nikt nie wyprodukował podłoży gwarantujących zadowalającą jakość pomiarów – wyjaśnia mgr Monika Księżopolska-Gocalska z IChF PAN, która pracuje w grupie prof. dr. hab. Roberta Hołysta i od początku prowadzi nadzór nad projektem SERSitive.
Podłoża SERSitive powstają w procesie elektrochemicznego nanoszenia nanocząstek srebra i złota na szkło przewodzące, tzw. ITO. Wielkości nanocząstek wahają się od 50 do 200 nanometrów. Silnie schropowacone podłoża są dostępne w dwóch odmianach: pokrytej wyłącznie nanocząstkami srebra oraz hybrydowej, zawierającej nanocząstki srebra, i złota. Płytki mają rozmiary 9 x 7 x 0.7 mm, a obszar aktywny ma wielkość 4 x 5 mm.
Platformy SERSitive wzmacniają sygnały całej gamy substancji chemicznych, zwłaszcza wielocząsteczkowych o dużych cząsteczkach z wiązaniami podwójnymi, co oznacza zdolność do detekcji wielu związków organicznych. W testach medycznych czy kryminalistycznych możliwe jest wykrywanie obecności narkotyków we krwi czy moczu, a także konkretnych bakterii w materiale biologicznym.
– O skali wyzwań związanych z podłożami do SERS może świadczyć fakt, że na udoskonalenie elektrochemicznych metod ich wytwarzania świat musiał czekać aż 47 lat. Gdy sześć lat temu sami zaczynaliśmy prace nad tymi podłożami, przez pierwsze półtora roku nam także nie wychodziło kompletnie nic. Fakt, że dziś jesteśmy w stanie nie tylko wytwarzać odpowiednie podłoża, ale nawet oferować je innym, pokazuje, jak wielką rolę w rozwoju współczesnej nauki odgrywa upór wsparty rzetelną wiedzą i intuicją badawczą – mówi prof. Hołyst.
Szczegóły technologiczne procesu uzyskiwania nowych podłoży są chronione dwoma patentami, ale o właściwościach podłoży SERSitive może się przekonać każdy zainteresowany, ponieważ do testów udostępniane są bezpłatnie.
JK
(Źródło: IChF PAN)