SERS (surface enhanced raman scattering)
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- Luisa Pepe
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1 a pettrocopia aman tradizionale SS (urface enhanced raman cattering) a pettrocopia aman è una tecnica di indagine uperficiale che i baa ul principio di eccitazione dei livelli energetici della materia. Sul campione da analizzare i invia un raggio laer di frequenza ν e i regitrano le ri-emiioni di fotoni da parte della uperficie colpita; i picchi rilevati ono l anti-toke (hν >hν), lo toke (hν <hν) e il ayleigh (hν hν). Per poter comprendere l effetto di ri-emiione fotonica biogna upporre che due atomi legati fra loro iano aimilabili a due palline unite da una molla; quando quete vengono timolate da forze eterne al itema cominciano a vibrare ad una frequenza pari a (legge di Hooke): dove µ rappreenta la maa ridotta delle due particelle e vale Da queta formula i può notare che nel cao in cui i verifichi un aumento di K (dato da un rafforzamento dei legami) o una diminuzione di µ diminuice (dato da atomi che preentano una maa piccola), l aorbimento aman avviene ad una frequenza uperiore. In regime di meccanica claica tale ocillazione egue una tradizionale funzione di potenziale che preenta un punto di minimo (equilibrio) ed infiniti punti continui in cui il itema può trovari in qualiai tempo t durante la vibrazione (V ½ k r ). Secondo la meccanica quantitica la medeima funzione di potenziale è invece diviibile in livelli dicreti econdo la formula ehν(n + ½) e il itema può giacere olo all interno di queti. e emiioni aman intereano l ambito della fiica quantitica; le linee di toke, anti-toke e ayleigh dipendono olo dai alti energetici quantizzati degli elettroni timolati. Supponendo di analizzare il comportamento di un elettrone allo tato fondamentale g, i può verificare una ituazione nella quale eo i trovi inizialmente ul livello vibrazionale v, alti ul livello virtuale m e ricada, in ultimo, ul livello v1 (toke); nello teo modo può accadere che da v1, l elettrone balzi allo tato virtuale m e decada poi u v (anti-toke); infine, empre da v, l elettrone può alire allo tato m e ricadere u v (ayleigh). Il egnale più marcato e netto è quello di ayleigh, tuttavia ono i picchi di toke e antitoke che fornicono il maggior numero di informazioni utili ai fini dell indagine. a loro intenità dipende dalla probabilità di Boltzman di trovare un elettrone u un livello v1 (più eccitato) e u v (meno eccitato); da ciò i ottiene che il rapporto fra le due popolazioni elettroniche è pari a: N( v 1) ( / KT ) exp N ( v ) dove K è la cotante di Boltzmann e T è la temperatura di eercizio. Il egnale di anti-toke riulta coì meno inteno ripetto a quello di toke. Il numero di picchi della pettrocopia aman è pari al numero di modi vibrazionali della molecola coniderata (3n-6 in generale o 3n-5 per molecole lineari, dove n è il numero di atomi legati fra di loro). itono alcune varianti della pettrocopia aman come, ad eempio, la aman rionante, in cui il facio laer eccita gli elettroni fino a portarli ad un livello g1 con emiioni più marcate, e la fluerecienza, in cui i gap energetici non coinvolgono i livelli virtuali m, ma olamente il alto tra g e g1 e i gap tra i vari ottolivelli vibrazionali v.
2 a tecnica SS a rivoluzione nella pettrocopia arriva con il metodo SS, una tecnica attravero la quale i amplifica il egnale aman delle molecole adorbite in proimità di nanoparticelle o di uperfici metalliche opportunamente ree rugoe. intenificazione è di due nature differenti: elettromagnetica e chimica. Nel primo cao i ha un accoppiamento tra il campo elettromagnetico dell onda incidente e le ocillazioni collettive degli elettroni alla uperficie del metallo (chiamate plamoni di uperficie). Ipotizzando di avere a dipoizione olo delle nanoparticelle metalliche, accade che l eccitazione degli elettroni avvenga olo ulla loro uperficie; il picco di rionanza di queta eccitazione è proporzionale alla forma, alla dimenione, al tipo di metallo utilizzato e al mezzo che circonda le nanoparticelle. Per poter tudiare queto compleo fenomeno di amplificazione ono tati viluppati dei modelli matematici riferiti dapprima all interazione di due o più atomi fino a intereare anche trutture complee. Supponendo di avere una particella metallica eccitata da un facio laer, i ottiene un dipolo elettrico fluttuante ulla ua uperficie. In un punto P poto a ditanza d dalla nanoparticella di raggio r i avvertirà un campo elettrico che dipende ia dal facio timolante ia dal dipolo fluttuante: m + p Sapendo che la particella ha una cotante dielettrica complea εε +iε, mentre l intorno ha cotante ε e il rapporto r/λ vale,5, i ottiene: 3 ε ε 1 SP r ε + ε r + d ( ) 3 Coniderando che è tracurabile ripetto a p, il fattore di intenificazione del campo elettromagnetico riulta pari a: A( ν ) ε ε m p ε + ε r r + d Per definizione i ha che il fattore di amplificazione dell intenità è: ( ν ) ( ν ) 3 6 ε ε r G( ν ) A( ν ) ε + ε r + d Dal momento in cui i ha un intenificazione del campo elettromagnetico, i egnali toke e antitoke ubicono la medeima orte nel cao in cui le loro frequenze iano in rionanza con quelle del plamone. Il fattore di intenificazione globale conidera quindi ia la frequenza della linea eccitatrice ia quella della linea toke: G em ( ν ) A( ν ) A( ν ) ε ε ( ν ) ε ε ( ν ( ν ) + ε ε ( ν ) ) ε + ε 1 r r + d Il tradizionale egnale aman P N n laer (dove N è il numero delle molecole colpite, n è il numero di fotoni per unità di tempo e di area, mentre è la ezione) riulta ovviamente modificato dalla preenza delle particelle metalliche e diventa coì: P SS ' N n aer ab aman A ( ν ) A( ν ) Nel cao di interferenza chimica i verifica un charge tranfer tra la molecola e il metallo, ottenendo la formazione di un gap energetico tra il livello di Fermi del metallo e quello del charge tranfer che riulta uperiore al tradizionale alto tra HOMO e UMO della ingola molecola. Sarà quindi
3 poibile tabilire le condizioni di rionanza tra la radiazione incidente e il nuovo gap elettronico, che genera un notevole aumento di intenità ripetto ai valori aman tradizionali; tale aumento è di 1-1 volte inferiore a quello prodotto per via elettromagnetica. effetto di intenificazione del egnale aman di entrambi i contributi (elettro-magnetico I C e chimico I ) è pari a: I TOT eff. ad A ( ν ) A( ν ) I C I I c ad ( ) ( ) I A ν A ν dove ad tiene già conto dell effetto chimico (dato che rappreenta la ezione con le molecole adorbite), mentre eff corriponde alla ezione effettiva. Preparazione e analii delle uperfici metalliche Per dar vita all effetto SS è neceario diporre di nanoparticelle metalliche che, una volta pote a contatto con le molecole da analizzare, generino l amplificazione aman. Solitamente i impiegano le eguenti tecniche: colloidi di argento o di oro, Silver mirror reaction, etching argentatura mediante eanoato di argento. Come metodi di analii i ua l AFM, il TM e la pettrocopia ad aorbimento UV-VIS-NI. Per creare le nanoparticelle metalliche i può procedere con il metodo top-down oppure con quello bottom-up. Nel primo cao i parte dal metallo di bae e lo i riduce ad un quantum well (truttura con una ola dimenione nanometrica), poi i procede fino a creare un quantum wire (elemento con due dimenioni nanometriche) e i conclude generando un quantum dot (particelle con tre dimenioni nanometriche). Nel econdo cao i inizia invece dagli atomi e i cotruice la nanoparticella metallica tramite aggregazione; per la facilità tecnica di produzione dei nano-metalli, i preferice normalmente eguire queta econda via. In particolare i utilizzano i metodi chimici di intei in oluzione (acqua o olventi organici) che prevedono la riduzione di atomi metallici poitivi, preenti ottoforma di ioni o di complei. Per tale proceo poono eere utilizzati diveri olventi in funzione della natura del ale o del compleo metallico utilizzato, dell'agente riducente e delle eventuali molecole protettive da impiegare. Quet ultime vengono aggiunte alla oluzione per evitare che le nanoparticelle tendano ad aggregari ed a precipitare con l'aumentare della concentrazione e con la diminuzione della polarità del olvente. A queto copo i utilizzano diveri tipi di molecole che, legandoi alla uperficie del metallo, lo tabilizzano e lo rendono eventualmente compatibile con olventi apolari. In generale, il proceo di accrecimento egue cinetiche differenti in funzione dei reagenti. Il numero di particelle prodotte dalla reazione in un itante t generico (N t ) egue la formula: N N t kt ( 1 e ) dove N t è il numero di particelle prodotte al tempo t, N è il numero di particelle totali che i ottiene alla fine della reazione e k è una cotante cinetica del primo ordine calcolata come egue: a ln k ln A, dove A è una cotante. T Si poono coì avere due tipi di reazione: Nucleazione itantanea, quando k è grande e N t N Nucleazione progreiva, dove k è piccolo e N t k t N
4 Un primo eempio di queto proceo è l accrecimento di nanoparticelle d argento attravero l uo di triodio citrato o di boroidrato in acqua. Il catione argento i riduce ad Ag, mentre il citrato (o il boroidrato) i oida, formando un primo compleo atomico di metallo, il quale crece ucceivamente fino a raggiungere dimenioni nanometriche. aminando il compoto i nota che la dimenione media delle particelle è di 35 nm nel cao del citrato mentre è di 7 nm nel cao del boroidrato, con aorbimento luminoo ripettivamente a 4 nm e 39 nm. a nucleazione è progreiva (k173kj/mol) Si eegue lo teo procedimento con un tetrafluoruro aurato (AuCl 4 - ), uato come fonte per il metallo, e con il citrato, come agente riducente. In queto modo i ottengono nanoparticelle d oro di diametro medio di nm e con aorbimento luminoo nel campo del roo a 5 nm. a nuclezione è itantanea (k31,4 kj/mol). Una variante al proceo è cotituita dall uo di toluene come olvente organico aggiunto all acqua. Molto importante è la fae di traferimento degli ioni AuCl 4 - dalla fae acquoa alla fae organica (toluene), rea poibile dalla preenza del traferitore di fae tetraoctyl ammonium bromide e della agitazione meccanica che maimizza la uperficie di contatto tra fae acquoa e fae organica. Una volta che gli ioni tetracloroaurici ono traferiti in fae organica, i aggiunge del odio boroidrato che è l agente riducente. a reazione avviene all interfaccia tra la fae organica, dove ono preenti gli ioni AuCl4-, e la fae acquoa, dove è preente il odio boroidrato. Per queto motivo i due liquidi devono eere accuratamente micelati durante la riduzione. Altre reazioni per l ottenimento di queti compoti ono: l etching di fogli di argento mediante HNO 3, l argentatura tramite eanoato (o decanoato) d argento la ilver mirror reaction. e varianti e i miglioramenti apportabili a queta procedura ono molteplici; i poono, ad eempio, aggiungere alle nanoparticelle metalliche alcuni agenti tabilizzanti cotituiti da alchiltiofeni, oppure i poono cotruire compoti con due metalli omogeneamente micelati o con fai eparate. e nanoparticelle ottenute cotituicono la chiave di funzionamento dell amplificazione SS. È da tener preente che l effetto di eccitazione del plamone di uperficie avviene olo a precie lunghezze d onda; in generale i ha che: K plamone K fotone x x + K dove l ultimo termine K vale π/a e dipende dalla paziatura della rugoità di uperficie. Non eendo queto termine cotante, accade che l eccitazione del plamone poa avvenire in un range di lunghezze d onda. Naturalmente, in ede di analii al aman, la frequenza eccitatrice, ovvero la lunghezza d onda emea dal laer, è dato impoto dalla trumentazione tea; per queto motivo, al fine di ottenere l effetto plamone, i deve avere a dipoizione un materiale metallico in grado di timolari nel range di frequenza laer a dipoizione. Per fare ciò, i variano le condizioni di ph, di temperatura, di tempo di reazione e di preenza di NaCl nella oluzione di partenza, in modo da ottenere nanoparticelle con il picco d aorbimento deiderato.
5 ,85,8,75,7,65,6,55 Aborbance,5,45,4,35,3,5,,15,1, Wavelength (nm) Per verificare l effetto SS i procede in due differenti modi: utilizzando una molecola come riferimento interno alla oluzione o avvalendoi della valutazione del rapporto toke v. antitoke. Nel primo cao i pongono in oluzione le molecole da analizzare, le nanoparticelle metalliche e un compoto SS inattivo (metanolo), che viene uato come riferimento. Si confrontano i picchi del compoto inattivo con quelli della nanoparcella amplificati con effetto SS e i calcola il fattore di intenificazione. Dal momento che, ad alte concentrazioni, non tutte le molecole da analizzare ono legate in un ito attivo dei nano-metalli, i ottiene una tima per difetto dell amplificazione. Nel econdo cao i calcola l area di impatto SS apendo che: dove il rapporto del egnale P a (anti-toke) u P (toke) dipende da una componente SS (τ 1 è il tempo di vita medio del livello vibrazionale 1) e da una termica. Nel cao in cui i parametri iano controllati con molta accuratezza, la miurazione fornice la ezione d urto SS che vale: hν SS P a KT e SS SS P τ 1 n Nel cao in cui i parametri iano invece imprecii i potrebbero verificare aberrazioni di origine termica o matematico-tatitica (approimazioni). Queta tecnica fornice un utile trumento per ottenere amplificazioni di pettro aman pari a 1 9 fino a 1 14 volte ripetto al valore tradizionale, grazie anche all effetto di abbattimento del egnale di fluorecenza. Oggigiorno i utilizzano itemi a fibra ottica che garanticono la poibilità di poizionare il enore anche in luoghi di difficile acceo (anche a centinaia di metri dallo pettrometro e dal itema di acquiizione dati); i poono coi ottenere, in tempo reale, analii ad elevata enibilità di una o più otanze contemporaneamente. o trumento è cotituito da una fibra ottica ulla cui etremità è poto il rivetimento di nanoparticelle d argento che, una volta mee a contatto con il target da rilevare, amplificano il egnale. Il capo di tale fibra viene trattato in diveri modi attravero etching chimico, ottenendo generalmente una forma acuminata con divero angolo di inclinazione; al egnale che i ottiene viene ottratta automaticamente la curva relativa all input appartenente alla fibra. A bae concentrazioni ( <1-1 M ) i può coniderare che nel volume di cattering (decine di pl) ia preente al maimo una molecola SS attiva. In queto modo i adottano divere metodologie per ottenere un SS a ingola molecola che garantica un fattore di amplificazione pari a 1 14 e, mediante delle nanopunte, i valutano gli pettri aman amplificati di ingole molecole pote al di otto di ee.
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