Quang Phổ Raman Tăng Cường Bề Mặt (Surface Enhanced Raman Spectroscopy – SERS) Là Gì ? – H2TECH

Quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là một kỹ thuật mạnh mẽ được sử dụng để tăng cường độ nhạy khi sử dụng quang phổ Raman. Sự tán xạ Raman vốn đã cho những tín hiệu yếu, nhưng việc khám phá ra SERS vào những năm 1970 bởi Martin Fleischmann và đội nghiên cứu của ông tại trường Đại học Southampton đã giúp khắc phục được vấn đề này.

1. Quang phổ Raman tăng cường bề mặt (Surface Enhanced Raman Spectroscopy – SERS) hoạt động như thế nào ?

SERS được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1974 khi quan sát phổ Raman của pyridine trên bạc đã được mài nhám, nhưng tầm quan trọng của phát hiện này không được nhận ra cho đến năm 1977. Các kim loại điển hình được sử dụng là vàng, bạc và đồng, nhưng việc kiểm tra kim loại kiềm và hợp kim kim loại là plasmonic chất nền cho SERS hiện cũng đã được thực hiện. Các bề mặt được chuẩn bị thông qua quá trình làm nhám hóa học, phủ kim loại hoặc lắng đọng các hạt nano kim loại keo lên bề mặt. Bước sóng laser, tương thích với kim loại SERS đã chọn, được sử dụng để kích thích.

Sự kích thích bằng laser của các cấu trúc nano tạo ra trường ánh sáng plasmonic. Khi một phân tử được hấp thụ hoặc nằm gần trường tăng cường ở bề mặt, người ta quan sát thấy sự tăng cường tín hiệu Raman. Các tín hiệu nâng cao giúp phát hiện nồng độ thấp nên không cần ghi nhãn huỳnh quang.

2. Các loại chất nền

Chất nền SERS có thể là bề mặt nhám và hạt nano trong dung dịch keo. Cả bề mặt và dung dịch đều bao gồm các kim loại có cấu trúc nano với hình dạng và kích cỡ khác nhau. Hình dạng và kích thước của các hạt nano ảnh hưởng đến mức độ tăng cường SERS, vì vậy đây là một lĩnh vực nghiên cứu vẫn đang được khám phá.

Các dung dịch keo được sử dụng thường xuyên nhất là các hạt nano vàng và bạc. Hình dạng hạt nano phổ biến là hình cầu, nhưng các ngôi sao, kim tự tháp và hình que đang được nghiên cứu dưới dạng khả năng do cách mà chúng tăng cường tín hiệu. Một nhược điểm lớn của các giải pháp hạt nano là sự lắng đọng và phân tách có thể tạo ra “hot – spot”, nghĩa là kết quả phân tích và kết quả không được trải đều khi lập bản đồ bề mặt.

Các cấu trúc nano giới hạn bề mặt làm giảm khả năng xảy ra ‘hot – spots’, nhưng chúng ít được sử dụng hơn do khó chế tạo chúng trong phòng thí nghiệm và số lượng bề mặt có sẵn trên thị trường còn hạn chế. Không giống như phản ứng hóa học đơn giản của dung dịch hạt nano keo, bề mặt nhám thường được tạo ra thông qua các kỹ thuật phức tạp bao gồm nhiều loại kỹ thuật in thạch bản.

3. Quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS) được dùng để làm gì?

SERS được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm pháp y, xét nghiệm y tế và phân tích, phân tích vật liệu, phát hiện thuốc, xét nghiệm tại điểm chăm sóc và phát hiện mối đe dọa sinh học/hóa học. Các ứng dụng tiềm năng của SERS trong cảm biến sinh học rất rộng và bao gồm sàng lọc các bệnh như tiểu đường, ung thư, Alzheimer và Parkinson.

Nhuộm miễn dịch huỳnh quang là tiêu chuẩn vàng cho chẩn đoán lâm sàng các mô, nhưng độc tính của nhiều thuốc nhuộm huỳnh quang có nghĩa là không thể tiến hành phân tích in vivo . Phổ Raman là một kỹ thuật chẩn đoán không nhãn, đặc hiệu về mặt hóa học, do đó là một giải pháp thay thế tuyệt vời. Thực tế là SERS là một kỹ thuật nhanh, không nhãn cũng đã chứng minh là một lợi thế đáng kể cho các xét nghiệm tại chỗ để theo dõi thuốc điều trị.

Nanotag SERS, các quả cầu vàng được chức năng hóa với các phân tử báo cáo được bao bọc trong một lớp vỏ silica, có thể được sử dụng như một cách để dán nhãn các mặt hàng khác nhau. Nanotag có thể được sử dụng để mã hóa đồ trang sức và tiền giấy để bảo mật cũng như để xác định gian lận trong vận chuyển hàng hóa.

Với Raman và SERS hiện đã được phát triển để có thể di động, việc sử dụng SERS trong thử nghiệm tại chỗ để phát hiện mối đe dọa sinh học/hóa học đã tăng lên đáng kể. Việc trang bị thiết bị phát hiện di động là rất quan trọng, với các phương pháp phân tích trước đây bao gồm sắc ký lỏng và khối phổ. Tuy nhiên, những phương pháp này đòi hỏi phải chuẩn bị mẫu lâu dài. SERS cung cấp một giải pháp thay thế tuyệt vời, nhạy cảm và nhanh chóng.

4. Nghiên cứu mới

SERS vẫn là một lĩnh vực hóa học phân tích đang được phát triển hơn nữa để tạo ra các kết quả ngắn gọn và chính xác hơn nữa. Các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu các cách sử dụng hạt nano để tăng cường SERS, cũng như khám phá các bề mặt nhám rắn khác nhau và cách chúng có thể tăng cường tín hiệu SERS.

Cùng với việc cải thiện các phương pháp phát hiện hiện tại, SERS có khả năng được kết hợp với các kỹ thuật khác trong tương lai. Ví dụ, việc kết hợp quang phổ tia cực tím với SERS sẽ cho phép phát hiện protein và phân tử sinh học. SERS cực nhanh cũng có thể thực hiện được nếu phương pháp này có thể được kết nối với quang phổ Raman kích thích femto giây.