Επιφανειακή Ενίσχυση Σκέδασης Raman (SERS) Μορίων Ροδαμίνης από Νανοσωματίδια Αργύρου

Abstract

Η φασματοσκοπία Raman είναι ένα σπουδαίο εργαλείο χαρακτηρισμού υλικών συστημάτων και παράλληλα με την εφαρμογή της φασματοσκοπίας υπερύθρου μπορεί να προβεί στον ακριβή προσδιορισμό μοριακών συστημάτων μέσω δονήσεων χαρακτηριστικών ομάδων. Ωστόσο το φαινόμενο σκέδασης Raman είναι κατά κανόνα ασθενές και η παρατήρηση μικροσυστημάτων μπορεί να είναι αδύνατη. Το πρόβλημα μπορεί να ξεπεραστεί με την τεχνική της επιφανειακής ενίσχυσης Raman (SERS) που μπορεί να αυξήσει την σκέδαση κατά αρκετές τάξεις μεγέθους και να καταστήσει εφικτή ακόμη και την παρατήρηση μεμονωμένων μορίων. Το φαινόμενο SERS παρατηρείται με την προσρόφηση χημικών ουσιών σε μεταλλικές νανοδομημένες επιφάνειες και έχει βρει εφαρμογές στους κλάδους της βιοανάλυσης και της νανοτεχνολογίας ως μέσο ανίχνευσης μορίων. Οι εφαρμογές αυτές θεωρείται ότι θα πολλαπλασιαστούν μόλις ο μηχανισμός πίσω από την SERS γίνει πλήρως κατανοητός. Στην παρούσα διπλωματική γίνεται μια ακόμη προσπάθεια κατανόησης της επίδρασης μεταλλικών νανοσωματιδίων στο φαινόμενο της επιφανειακής ενίσχυσης Raman από ουσίες βιολογικού ενδιαφέροντος. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται δείγματα νανοσωματιδίων αργύρου με επικάλυψη μορίων της χρωστικής ροδαμίνη 6G εναποτεθειμένων σε διαφορετικά στερεά υποστρώματα Si, SiO2 και γυαλιού, υπό τις ίδιες συνθήκες εναπόθεσης με μέθοδο ιοντοβολής σε συνδυασμό με συσσωμάτωση σε αδρανή ατμόσφαιρα. Οι παράμετροι που εξετάζονται αφορούν την κατάσταση της δέσμης laser που χρησιμοποιείται για την διέγερση των δειγμάτων, τον χρόνο ανάπτυξης των νανοσωματιδίων που εναποτίθενται σε αυτά τα δείγματα, καθώς και την συγκέντρωση του αναλύτη R6G. Η γεωμετρία σκέδασης που χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα ήταν αυτή των 180ο (οπισθoσκέδαση) και η συλλογή των φασμάτων πραγματοπoιήθηκε στην περιοχή σχετικών συχνοτήτων 500-1700 cm-1. Από τον απολογισμό των πειραμάτων συμπεραίνεται η μεγάλη ευαισθησία του φαινομένου της SERS στους χειρισμούς προετοιμασίας των δειγμάτων και στην μεταχείρησή τους με την πάροδο του χρόνου και κρίνεται αναγκαία η διεξοδικότερη μελέτη των ιδιοτήτων τους σε μελλοντικά πειράματα συναφούς περιεχομένου παράλληλα με μελέτες μέσω άλλων οπτικών τεχνικών (π.χ. SEM, AFM). Ωστόσο, κάποιες παρατηρήσεις στα φάσματα που συλλέχθηκαν δείχνουν κάποια εξάρτηση από τον τρόπο που έχουν προσκολληθεί τα νανοσωματίδια στις διαφορετικές μεταξύ τους υποστρωματικές επιφάνειες. Ο απώτερος σκοπός των ερευνών SERS είναι η πλήρης ταυτοποίηση των αλληλεπιδράσεων ανάμεσα στις διεπιφάνειες των διαφορετικών υλικών που μελετώνται, τόσο στο επίπεδο υποστρώματος-μετάλλου όσο και στο επίπεδο μετάλλου-αναλύτη, και κατ’ επέκταση ο τρόπος που μπορούν να επηρεάσουν αυτές οι αλληλεπιδράσεις τον συντονισμό των επιφανειακών πλασμονίων κατόπιν ακτινοβόλησης.

Raman spectroscopy is a versatile tool for material characterization and, when it is used in parallel with IR spectroscopy, it can determine exactly molecular systems through the vibrations of characteristic groups. However, the Raman scattering effect is normally weak and, therefore, the study of many microsystems could be very difficult due to limited scattering volume. This obstacle can be overcome by means of the surface enhanced Raman scattering (SERS) technique which can increase the scattered intensity by several orders of magnitude and make even possible the observation of individual molecules. The SERS effect is observed when chemical substances are adsorbed onto metallic nanostructured surfaces and it has found applications in fields like bioanalysis and nanotechnology as a mean for molecular detection. Understanding of the SERS mechanism and the critical parameters involved, will result in further evolution of the related applications. The subject of the present diploma thesis is the systematic study of the ifluence, on the SERS efficiency, of several parameters related to the metallic nanoparticles system and the spectroscopic procedure. Specifically, we studied silver nanoparticles covered by rhodamine 6G molecules and deposited on substrates of Si, SiO2 and glass through sputtering based deposition in combination with inert-gas aggregation, where the deposition has been made under the same conditions. The parameters studied were the excitation wavelength and power density, the duration of the sputtering deposition of the nanoparticles as well as the type of the substrates and the concentration of the R6G solutions. The scattering geometry that we used for our experiments was that of 180o and all spectra we collected were in the region of 500-1700 cm-1 (Raman shift). From the evaluation of our experiments, it can be concluded that SERS effect is very sensitive in the way we prepare the samples and their treatment as time passes. So, in future experiments, it is necessary to examine the properties of the samples, and especially those of the nanoparticles, with other optical techniques (e.g. SEM, AFM etc.). However, analysis of the collected spectra shows some dependence from the way that the nanoparticles are attached onto the different substrate surfaces. The ultimate purpose of SERS experiments is the complete identification of the interactions among the different interfaces which are studied, both in substrate-metal level and metal-analyte level, and therefore the way that these interactions can affect the surface plasmon resonances under laser radiation.