Espectroscopía Micro Raman en Nanotecnología

Justo como una huella digital humana- una característica particular de cada humano, la dispersión Raman de una molécula proporciona un espectro huella molecular, por ejemplo el espectro Raman. Los patrones de un espectro Raman son caracteríscticos de una molécula en particular- dos moléculas diferentes no tienen el mismo patrón. La espectroscopía Raman ha venido ganando fuerza y atención dentro de la comunidad científica como una forma de estudios de características físicas de materiales.

Identification of graphite (green) from cellulose filter (blue) using graphite Raman “fingerprint”.

Identificación de grafito (verde) desde filtros de celulosa (azul) usando huella digital Raman del grafito

Pero, ¿qué es un espectro Raman?

Un espectro Raman tiene que ver con la luz. Cuando la luz de cierta longitud de onda (usualmente laser) interacciona con cualquier material, muchos de sus fotones son deflectados fuera del material. Esta deflación es llamada disperción eslástica, o dispersión Rayleigh. Los fotones dispersados tienen la misma longitud de onda cómo los fotones incidente.

Sin embargo, una pequeña cantidad (aproximadamente una en un millon) de los fotones incidentes es dispersión in-elastica. Estos fotones son inelasticamente  dispersados porque han perdido o ganado energía durante sus interacciones con la materia. En una molécula, los átomos no están conectados estáticamente entre ellos. En su lugar,  los enlaces moleculares vibran y rotan constantemente. Los fotones que son dispersados inelasticamente pierden o gana energía cuando interactuan con estos enlaces moleculares. Así, un espectro Raman es una firma de un material que hacen muchos enlaces moleculares. Un científico indio C.V. Raman fue el primero en descubrir el efecto de dispersión Raman y ganó el Nobel de Física en 1930 por esto.

Muchos nanomateriales tienen espectros de identificación Raman muy fuertes el cual provee información de ambos inter e intra modos de vibración molecular. Incluso para los mismos materiales, como nano tubos de carbono de pared simple, las frecuencias de espectro Raman pueden variar de acuerdo al diámetro de los tubos y pueden ser usados para determinar la calidad del material.

Raman spectra of carbon-based materials: fullerenes, nanohorns, and nanotubes.

Espectro Raman de materiales basados en carbon: fullerenos, nano cuerno y nanotubos.

Un principal defecto de la técnica de la técnica de dispersión Raman es que la señal es extremadamente débil (únicamente uno de un millón de fotones son inelasticamente dispersados), entonces láseres y detectores de alta intensidad relativa deben ser usados para medir esta débil luz dispersada.

Espectroscopía Raman de superficie mejorada

SERS, por sus iniciales en inglés Surface-enhanced Raman spectroscopy es una bien conocida técnica basada sobre la espectroscopía Raman y nanotecnología. Esta ha sido ampliamente aplicado para la obtención de espectros Raman de compuestos a baja concentración, en algunos casos a niveles de moléculas.

Honeycomb-shaped substrate for SERS application (Leng 2013)

Sustrato con forma de panal para aplicación SERS (Leng 2003)

Cerca de 40 años atrás, esto fue descubierto – originalmente por accidente, que las moléculas adsorbidas sobre superficie de nanopartículas de plata u oro exhiben un  enorme incremento en sus señales Raman, por un factor de miles a millones.  Nosotros llamamos ahora a este fenómeno Espectroscopía Raman de Superficie Mejoradas (SERS). Esta efecto de superficie mejorada es  mayor para nanopartículas de oro y plata pero es considerablemente mas pequeña para nano partículas de otras metales. En particular, esto es mas grande para partículas que tienen formas con bordes afilados o uniones (como prismas o partículas agregadas) en lugar de partículas esféricas. La presencia de una superficie de metal curva y uniones entre partículas amplifican el campo eléctrico de la luz de láser donde la molécula se encuentre.

Amplified SERS signals by gold nanoparticle and aggregate (hot spots)

Señal SERS amplificada por nanoparticula de oro y agregado (puntos caliente)

Además, del amplio uso en análisis de micro-trazas de elementos, SERS tiene otras ventajas como técnica de seguimiento de nanopartículas: esto puede ser realizado con un microscopio modificado permitiéndonos hacer mediciones Raman dentro de células e incluso en regiones de superficies con células. Usando señales SERS, nosotros podemos fácilmente reconstruir un 2D y 3D imagen Raman de partículas localizadas.

Nota traducida de entrada: Raman Spectroscopy in Nanotechnology tomada de http://blogs.lt.vt.edu/sustainablenano/2014/08/19/raman-spectroscopy-in-nanotechnology/ 

Bibliografía:

Leng W, Vikesland P (2003) Nanoclustered Gold Honeycombs for Surface-Enhanced Raman Scattering. Analytical Chemistry.

 

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