1. Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica
quot;Giulio Nattaquot;
Piazza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano
NANOPARTICELLE METALLICHE PER DIAGNOSTICA
E SENSORISTICA
Ing. Andrea Lucotti
2. Schema della presentazione
- Nanoparticelle per applicazioni SERS: preparazione
- Nanoparticelle per applicazioni SERS: proprietà
- Introduzione allo scattering Raman
- SERS (Surface Enhanced Raman Scattering)
- Applicazioni del SERS
- Sensori SERS in fibra ottica
4. Nanoparticelle di argento e oro nell’antichità
Coppa di Licurgo
Vetrata del Duomo di Milano.
Coppa romana (IV secolo a.C.)
Realizzata da Niccolò da
contiene nanoparticelle di oro e argento
Varallo tra il 1480 e il 1486.
cambia colore a seconda che la luce
Il colore rosso è dovuto a
venga trasmessa attraverso di essa o
nanoparticelle d’oro
riflessa dalla superficie.
6. Preparazione di nanoparticelle metalliche
M+ N anoparticle
R eductant Nanoparticelle
Riducente
+
M = Au, Pt, Ag, Pd, Co, Fe …
Riducenti = citrato, boroidruro, idrazina…
M+ M+
M+ ne-
+
+ M
+
M
M
M+
Alcune tecniche di caratterizzazione utilizzate:
1) AFM(Atomic Force Microscopy)
2) SEM (Scanning Electron Microscopy)
3) TEM (Transmission Electron Microscopy)
4) Spettroscopia di assorbimento UV-VIS-NIR
5) DLS(Dynamic Light Scattering)
7. Interazione tra campo elettrico e nanoparticelle metalliche
Il campo elettrico associato alla radiazione elettomagnetica incidente induce un dipolo
sulla nanoparticella metallica
λmax
0.9
0.8
0.6
Abs
0.4
0.2
0
250 400 600 800 1000
Wavelength[nm]
Poiché le oscillazioni della densità del gas elettronico sono confinate alla superficie
della nanoparticella questo tipo di eccitazione viene chiamata plasmone di superficie
8. Interazione tra campo elettrico e nanoparticelle metalliche
Il campo elettrico associato alla radiazione elettomagnetica incidente induce
moti di carica collettivi
dipole radiation pattern
Conseguenze:
- Light scattering intensificato in vicinanza della risonanza plasmonica
- Assorbimento maggiore vicino alla risonanza plasmonica
- Estinzione (assorbimento + scattering) maggiore vicino alla risonanza plasmonica
9. Intensificazione elettromagnetica:
nanoparticella isolata
In un punto M a distanza d dalla nanoparticella di raggio r si avvertirà un campo
elettrico in parte dovuto alla radiazione incidente in parte dovuto all'emissione del
dipolo oscillante indotto sulla nanoparticella stessa.
10. Intensificazione elettromagnetica:
nanoparticella isolata
ε = ε ' + i ε ''
Nel caso di nanoparticella con costante dielettrica complessa
intorno di costante dielettrica εo , rapporto tra raggio della nanoparticella e
r
≤ 0,05
lunghezza d'onda della radiazione incidente
λ
vale la seguente espressione per il campo elettrico E generato dal dipolo
ε − ε0 1
E SP = r 3 ⋅ ⋅ E0 ⋅
oscillante
(r + d )3
ε + 2ε 0
Volendo determinare un fattore di intensificazione del campo elettromagnetico e
trascurando E0 rispetto a Esp possiamo scrivere
3
ε − ε0 ⎛r⎞
E
A(ν ) = m ≈ sp =
E
⋅⎜ ⎟
E0 ε + 2ε 0 r+d ⎠
⎝
E0
11. Influenza delle dimensioni delle NP sulla frequenza di
risonanza plasmonica
120
y = 0,9677x - 367,78
100
2
R = 0,957
Diametro NP
80
60
40
NP di Ag in soluzione acquosa.
20
0
380 400 420 440 460 480 500
Lunghezza d’onda (nm)
E’ possibile effettuare una valutazione approssimata ma rapida
delle dimensioni delle NP
riferendosi ad una relazione empirica che lega il diametro delle
NP alla lunghezza d’onda del
massimo di assorbimento.
Condizioni di risonanza plasmonica :
ε = ε( metallo, λ, dim.NP )= −2εm
12. Influenza dell’indice di rifrazione del mezzo sulla
risonanza plasmonica
ε = −2εm
Condizioni di risonanza plasmonica :
475
Lunghezza d’onda (nm)
455
PVA
435
H2O
415
NP di Ag
395
aria
375
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8
Indice di rifrazione n
13. Riduzione di Ag+ ad Ago mediante trisodio citrato
Ag + + e − ⎯⎯ ⎯ ⎯ → Ag o
⎯
RIDUZIONE
Agente riducente = citrato
OSSIDAZIONE DEL
CITRATO
+
Ag nanoparticella Ag
Ag
NUCLEAZIONE ACCRESCIMENTO
n
17. Dispersioni colloidali di oro (in toluene)
RIDUCENTE: BOROIDRURO
0.24
520 nm
0.22
0.20
0.18
0.16
Absorbance
0.14
0.12
0.10
0.08
Dmedio= 6 nm
0.06
300 400 500 600 700
Wavelength (nm)
Molto importante è la fase di trasferimento degli ioni AuCl4- dalla fase acquosa
alla fase organica (toluene) che è possibile grazie alla presenza del trasferitore di
fase tetraoctyl ammonium bromide e della agitazione meccanica che massimizza la
superficie di contatto tra fase acquosa e fase organica.
Una volta che gli ioni tetracloroaurici sono trasferiti in fase organica si aggiunge
del sodio boroidruro che è l’agente riducente. La riduzione avviene all’interfaccia
tra fase organica dove sono presenti gli ioni AuCl4- e la fase acquosa dove è
presente il sodio boroidruro. Per questo motivo le due fasi durante la riduzione
devono essere intimamente miscelate (forte agitazione).
18. Nanoparticelle di argento in toluene
1) Preparazione dei sali di sodio di un acido grasso facendo reagire in una soluzione
di metanolo e acqua uguali quantità molari dell’acido grasso e di idrossido di sodio
2) Aggiunta di una soluzione acquosa di nitrato di argento al sale di sodio precipitato
per ottenere il corrispondente sale di argento
3) Il sale di argento dell’acido grasso utilizzato viene scaldato in atmosfera di azoto
a 250 C° con la formazione di un residuo marrone
4) Il residuo viene lavato con metanolo e dissolto in toluene
430 nm
0.55
0.50
0.45
0.40
Absorbance
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
Wavelength (nm)
21. Cosa è lo scattering Raman?
Quando un fascio di luce monocromatica incide su di un materiale è possibile
osservare la diffusione da parte di quest’ultimo di un certo numero di linee
spettrali a frequenze maggiori, minori e uguali alla frequenza della linea
eccitatrice.
Si parlerà quindi di scattering Rayleigh se la frequenza è la stessa della radiazione
incidente oppure di scattering Raman Stokes e anti-Stokes a seconda che la
radiazione diffusa sia a frequenze minori o maggiori di quella incidente.
Lo spettro Raman fornisce informazioni sulle vibrazioni della
molecola ( è “l’impronta digitale” della molecola )
22. Questo è possibile perché le molecole vibrano
Si può schematizzare una molecola biatomica come due masse (atomi)
legate da una molla di costante elastica K
Si definisce massa ridotta
m1 m2
equilibrio
Tramite l’equazione del moto
estensione
è possibile ricavare la
F F frequenza di oscillazione
compressione
1 K
f=
2π μ
- -0
0 + +
x1 x2
23. Trattazione classica dello scattering Raman
La luce è un’onda trasversale, il campo elettrico e quello magnetico oscillano
perpendicolarmente fra loro e rispetto alla direzione di propagazione x.
La direzione del campo E è anche detta direzione di polarizzazione della luce.
Il campo elettrico nel tempo varia con la legge:
(1)
dove E0 è l’ampiezza di oscillazione e ν0 è la frequenza di oscillazione.
Una molecola biatomica può essere schematizzata come due masse legate da una
molla che rappresenta il legame fra i due atomi.
Gli elettroni della molecola sotto l’azione di un campo elettrico sufficientemente
intenso si ridistribuiscono attorno ai nuclei e quindi la molecola si polarizza
acquistando un momento elettrico dipolare indotto dal campo dato dalla relazione :
(2)
dove α è il tensore di polarizzabilità della molecola.
La polarizzabilità dipende dalle coordinate vibrazionali Q
(3)
e α = α(Q) può essere espressa in serie di Taylor
(4)
24. Trattazione classica dello scattering Raman
Utilizzando la (3) otteniamo:
(5)
Ora inserendo la (1) e la (5) nella (2) otteniamo la seguente espressione del
momento di dipolo elettrico:
(6)
ed utilizzando la formula trigonometrica di Werner
(7)
l’espressione finale del momento di dipolo può essere riscritta nel seguente modo:
Rayleigh anti-Stokes Stokes
25. Trattazione classica dello scattering Raman
Rayleigh anti-Stokes Stokes
L’intensità della radiazione elettromagnetica Stokes è proporzionale a
2
4 ⎛ ∂α ⎞
I Stokes ≈ (ω L − ω M ) ⋅ ⎜
⎜ ∂Q ⎟ ⋅ I 0 (ω L )
⎟
⎝ ⎠
L’intensità della radiazione elettromagnetica anti-Stokes è proporzionale a
2 hν
4 ⎛ ∂α ⎞ −M
≈ (ω L + ω M ) ⋅ ⎜
⎜ ∂Q ⎟ ⋅ I 0 (ω L ) ⋅ e
KT
I anti − Stokes ⎟
⎝ ⎠
27. Scattering Rayleigh e Raman
Schema dei livelli elettronici fondamentale (g), eccitato (e), virtuali (m, m’) e dei
livelli vibrazionali (v=0, v=1) per una molecola investita da un onda elettromagnetica
di frequenza νo
31. Frequenze di oscillazione
ν (C≡C) ≅ 2200 cm-1
ν (C=C) ≅ 1640 cm-1
K
aumenta
ν (C-C) ≅ 1000 cm-1
ν(C-C) ≅ 1000 cm-1
μ
aumenta
ν(C-H) ≅ 3000 cm-1
Conseguenze:
-tanto maggiore è la forza di legame tanto maggiore è la frequenza
-tanto maggiori sono le masse tanto minore è la frequenza
32. ALCUNE FREQUENZE DI GRUPPO
C=O stretching
O-H stretching
C=C stretching
C-H out-of-plane
N-H
bending
stretching C-O-C stretching
C ≡ Cstretching
CH stretching C ≡ Nstretching C-H in plane C-S stretching
bending
0
3000 2000 1000
RAMAN SHIFT ( cm-1 )
39. SERS (Surface Enhanced Raman Scattering)
Consiste in una intensificazione del segnale Raman (anche maggiore di 106 volte) di
molecole adsorbite o in prossimità di superfici metalliche con opportuna rugosità o in
presenza di nanoparticelle metalliche (p.e. di argento)
I(νL) = Laser intensity at frequency νL ;
PSERS(νs) = SERS signal at frequency νs ;
A(νL) = Electromagnetic enhancement factor at frequency νL ;
A(νs) = Electromagnetic enhancement factor at frequency νs
40. Fattori che determinano l’incremento del
segnale Raman:
1) Intensificazione elettromagnetica
Legata alla risonanza tra campo elettrico dell’onda incidente e le
oscillazioni collettive degli elettroni alla superficie del metallo
(plasmoni di superficie)
2) Intensificazione chimica
Legata alla risonanza tra l’onda elettromagnetica incidente e il
complesso a trasferimento di carica che si forma tra superficie
metallica e molecola adsorbita
41. Intensificazione elettromagnetica:
nanoparticella isolata
In un punto M a distanza d dalla nanoparticella di raggio r si avvertirà un campo
elettrico in parte dovuto alla radiazione incidente in parte dovuto all'emissione del
dipolo oscillante indotto sulla nanoparticella stessa.
42. Intensificazione elettromagnetica:
nanoparticella isolata
ε = ε ' + i ε ''
Nel caso di nanoparticella con costante dielettrica complessa
intorno di costante dielettrica εo , rapporto tra raggio della nanoparticella e
r
≤ 0,05
lunghezza d'onda della radiazione incidente
λ
vale la seguente espressione per il campo elettrico E generato dal dipolo
ε − ε0 1
oscillante. E SP = r 3 ⋅ ⋅ E0 ⋅
(r + d )3
ε + 2ε 0
Volendo determinare un fattore di intensificazione del campo elettromagnetico e
trascurando E0 rispetto a Esp possiamo scrivere
3
ε − ε0 ⎛r⎞
E
A(ν ) = m ≈ sp =
E
⋅⎜ ⎟
E0 ε + 2ε 0 r+d ⎠
⎝
E0
43. Intensificazione elettromagnetica:
nanoparticella isolata
Il fattore di intensificazione sarà
ε (ν ) − ε 0 ⎛ r ⎞
2 6
G (ν ) = A(ν )
2
≈ ⋅⎜ ⎟
ε (ν ) + 2ε 0 ⎝ r + d ⎠
Analogamente a quanto succede per l'intensificazione del campo elettromagnetico
incidente sulla nanoparticella anche campi elettromagnetici diffusi siano essi stokes o
anti-stokes vengono a loro volta intensificati se sono in risonanza con i plasmoni
superficiali della nanostruttura metallica. Per cui l'intensificazione globale attribuibile
all’enhancement elettromagnetico è così esprimibile
Gem (ν s ) = A(ν L ) ⋅ A(ν s )
2 2
dove A(νL) e A(νs) sono rispettivamente il fattore di intensificazione alla frequenza
della linea eccitatrice e alla frequenza stokes considerata.
ε (ν L ) − ε 0
2 2 12
ε (ν s ) − ε 0 ⎛ r ⎞
Gem (ν s ) ≈ ⋅ ⋅⎜ ⎟
ε (ν L ) + 2ε 0 ε (ν s ) + 2ε 0 ⎝ r + d ⎠
Questo semplice modello mette in evidenza la forte dipendenza del fattore di
intensificazione dalla distanza tra molecola e nanoparticella
45. Intensificazione chimica
Il fattore di intensificazione chimico che è dell'ordine di 10-100 è notevolmente
più debole di quello elettromagnetico e quindi da solo non spiegherebbe in alcun
modo il fattore di intensificazione misurati sperimentalmente (1014).
Nel caso della realizzazione di un legame a trasferimento di carica tra molecola e
metallo si avrà uno schema dei livelli energetici di questo tipo.
Nel caso di trasferimento di carica oltre al gap esistente tra HOMO e LUMO tipico
della molecola sarà possibile individuare un gap fra livello di fermi del metallo e un
livello di charge transfer.
Sarà quindi possibile stabilire condizioni di risonanza tra radiazione incidente e il
nuovo gap elettronico intensificando in questo modo lo scattering Raman
analogamente a quanto succede per un Raman risonante.
46. Sezione d’urto di scattering Raman
PRAMAN = N ⋅ nLaser ⋅ σ Raman
[m ]
⎡ no fotoni laser ⎤
⎡ no fotoni stokes ⎤
[n°molecole]
2
⎢ ⎥
⎢ ⎥ s ⋅ m2
⎣ ⎦
⎣ ⎦
s
Sezione d’urto SERS
[m ]
⎡ no fotoni laser ⎤ 2
⎢ ⎥
s ⋅ m2
⎣ ⎦
2 2
PSERS = N ' ⋅ nLaser ⋅ σ Raman ⋅ A(ν 0 ) ⋅ A(ν s )
abs
⎡ no fotoni stokes ⎤ n° molecole
⎢ ⎥ coinvolte
⎣ ⎦
s
nell’effetto SERS
PSERS = N ' ⋅ nLaser ⋅ σ SERS
47. Come si ottiene uno spettro SERS con l’utilizzo delle nanoparticelle
metalliche?
1) Si prepara una soluzione a concentrazione nota della molecola da analizzare
2) Si introducono le nanoparticelle metalliche
3) Si utilizza una linea eccitatrice in risonanza con il plasmone di superficie
oppure
3bis) Si aggregano le nanoparticelle in modo da spostare e allargare il plasmone di
superfice affinchè sia in risonanza con la linea eccitatrice
48. Aggregazione di nanoparticelle di argento
ASSORBIMENTO UV-VIS MICROSCOPIO OTTICO
0.7
Concentrazione
0.6
di NaCl
0.4
0.2
110 μm
0.0
220 μm
500 1000 1367
268
Wavelength[nm]
AFM
10μm
49. Valutazione del fattore di intensificazione:
utilizzo di un riferimento interno
σ eff . σ ads ⋅ A(ν L ) ⋅ A(ν s )
2 2
R
=R=
I TOT
σ free σR free
Riferimento interno
Aggregati di Analita
nanoparticelle
50. Valutazione del fattore di intensificazione:
utilizzo di un riferimento interno (metanolo)
0,0034
A
I SERS
0,0032
0,0030
0,0028
Rif
0,0026
I SERS
0,0024
0,0022
0,0020
SERS
0,0018
0,0016
0,0014
0,0012
Raman
0,0010
0,0008
0,0006
0,0004
1000
1500
Raman shift (cm-1)
A
Rif I Raman
I Raman
assA
I SERS
INTENSIFIC AZIONE ( A) = assA
I Raman
51. Valutazione del fattore di intensificazione:
metodo del rapporto stokes-antistokes
Ultrasensitive Chemical Analysis by Raman spectroscopy, K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R.R. Dasari,
M.S. Feld, Chemical Reviews 99 (1999) 2957 - 75
52. Valutazione del fattore di intensificazione:
metodo del rapporto stokes-antistokes
1.2
PSSERS
1.1
T*.=120 °C
1.0
0.9
Raman intensity
0.8
0.7
0.6
0.5
Potenza Laser:
0.4
100 mW SERS
PaS
0.3 200 mW
300 mW
0.2
400 mW
600 mW
0.1
800 mW
600 400 200 0 -200 -400 -600
Raman shift (cm-1)
53. A cosa serve il SERS ?
Il Raman è una tecnica molto potente ma è affetta da due grosse limitazioni
1) La bassa sezione d’urto di scattering Raman
2) La fluorescenza che per alcune molecole “copre” il segnale Raman
Il SERS è utile nella risoluzione di entrambi questi problemi poiché
incrementa notevolmente la sezione d’urto efficace ed in alcuni casi
l’interazione della molecola con il metallo produce un abbattimento
della fluorescenza
Grazie a questo il SERS trova suo naturale ambito di utilizzo in
sensoristica. Inoltre grazie alla notevole intensificazione garantita
da alcuni substrati SERS (colloidi di argento e oro) si sono potuti
registrare spettri SERS di singole molecole.
54. SERS E FLUORESCENZA
CONCENTRAZIONE
RHODAMINE 6G
Raman intensity (a.u.)
RHODAMINE 6G
10-3 - 10-9 M
1700 1650 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250
Wavenumbers (cm-1)
1)Lunghezza d’onda eccitatrice : 514nm 10mW
2)Tempo di accumulazione: 10s
3)Le molecole adsorbite sulle nanoparticelle metalliche presentano
un energy transfer tra LUMO e livelli del metallo producendo un
abbattimento della fluorescenza
55. Applicazioni
- Single Molecule Spectroscopy
- TERS (Tip Enhanced Raman Spectroscopy)
- Landmine Detection with SERS
- Rilevazione di cianuri
- Applicazioni in biologia
- Applicazioni nel settore delle scienze forensi
- Sensori SERS in fibra ottica
56. Single molecule spectroscopy
K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L.T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, M.S. Feld, Single Molecule Detection
using Surface-Enhanced Raman Scattering, Phys. Rev. Letters 78 (1997) 1667
58. Single molecule spectroscopy
moli moli moli molecole molecole
c = 10−13 M = 10−13 = 10−25 ⋅ N av = 10−25 ⋅ 6 ⋅1023 = 0.06
L pL pL mole pL
A basse concentrazioni ( < 10-13 M ) si può considerare che nel volume di
scattering (decine di pL) sia presente al massimo una molecola SERS
attiva
59. Single molecule spectroscopy
Si sfrutta l’estrema diluizione delle molecole da analizzare in una soluzione
contenente nanoparticelle di argento.
Nel caso in questione (3*10-14M) nel volume di scattering (30 pL) vi sono
statisticamente 0.6 molecole.
0.6 molecole di Crystal Violet in 30 pL (SERS)
1014 molecole di metanolo in 30 pL (Raman)
K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L.T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, M.S. Feld, Single Molecule Detection
using Surface-Enhanced Raman Scattering, Phys. Rev. Letters 78 (1997) 1667
60. TERS (Tip Enhanced Raman Spectroscopy)
Sfruttando l’effetto di intensificazione del campo elettromagnetico prodotto da
una nanoparticella di argento posta sulla punta di un microscopio a forza atomica
si riesce ad effettuare uno spettro SERS solamente o prevalentemente di ciò che è
nelle immediate vicinanze (nanometri) della nanoparticella stessa
Cresyl blue SERS spectra. Adapted from Stöckle et al., Chem. Phys. Lett. 2000, 318, 131
62. Surface-Enhanced Raman Detection of 2,4-Dinitrotoluene
Impurity Vapor as a Marker To Locate Landmines
Test per la rilevazione di vapori di 2,4-DNT da Test per la rilevazione di vapori di 2,4-DNT
soluzioni acquose da campioni di terreno contaminato con
* Test eseguito con acetone come contaminante carburante diesel
NO2 stretching
NO2 out-of-
plane bending
SERS spectra of 5 pg of TNT
SERS spectra of 25 pg of 2,4-DNT,
aromatic ring breathing
SERS spectra of 50 pg of 1,3-DNB
James M. Sylvia, James A. Janni, J. D. Klein, and Kevin M. Spencer, Anal. Chem. 2000, 72, 5834-5840
64. Ultra-sensitive trace analysis of cyanide water pollutant using
Surface-enhanced Raman spectroscopy
R = 0.991
300 ppb
200 ppb
100 ppb
50 ppb
5 ppb
1 ppb
0 ppb
Kwon-hae Yea, Sangyeop Lee, Jin Burm Kyong, Jaebum Choo, Eun Kyu Lee, Sang-Woo Jooc and Sanghoon Lee, Analyst, 2005, 130, 1009
65. Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) Method and
Instrumentation for Genomics and Biomedical Analysis
T. Vo-Dinh, D. L. Stokes, G. D. Griffin, M. Volkan, U. J. Kim and M. I. Simon,
J. Raman Spectrosc. 30, 785–793 (1999)
66. Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) Method and
Instrumentation for Genomics and Biomedical Analysis
T. Vo-Dinh, D. L. Stokes, G. D. Griffin, M. Volkan, U. J. Kim and M. I. Simon,
J. Raman Spectrosc. 30, 785–793 (1999)
67. Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) Method and
Instrumentation for Genomics and Biomedical Analysis
T. Vo-Dinh, D. L. Stokes, G. D. Griffin, M. Volkan, U. J. Kim and M. I. Simon,
J. Raman Spectrosc. 30, 785–793 (1999)
68. Applicability of surface-enhanced resonance Raman scattering
for the direct discrimination of ballpoint pen inks
Handbook of Raman Spectroscopy (pag.747), edited by Ian R. Lewis and Howell G.M. Edwards, Marcel Dekker
69. Applicability of surface-enhanced resonance Raman scattering
for the direct discrimination of ballpoint pen inks
Reza M. Seifar, Jannes M. Verheul, Freek Ariese, Udo A. Th. Brinkman and Cees Gooijer, Analyst, 2001, 126, 1418
70. Applicability of surface-enhanced resonance Raman scattering
for the direct discrimination of ballpoint pen inks
Reza M. Seifar, Jannes M. Verheul, Freek Ariese, Udo A. Th. Brinkman and Cees Gooijer, Analyst, 2001, 126, 1418
71. Applicability of surface-enhanced resonance Raman scattering
for the direct discrimination of ballpoint pen inks
Reza M. Seifar, Jannes M. Verheul, Freek Ariese, Udo A. Th. Brinkman and Cees Gooijer, Analyst, 2001, 126, 1418
73. Sensori SERS in fibra ottica
Vantaggi del SERS + Vantaggi dei sensori in fibra ottica
- Intensificazione del segnale Raman di - Possibilità di effettuare misure a distanza
diversi ordini di grandezza e in ambienti non direttamente accessibili
- Selettività molecolare e ricchezza di - Possibilità di utilizzo con spettrometri
informazioni dello spettro Raman portatili per misure in-situ
- Quenching della fluorescenza
- Focus free configuration (nel nostro caso)
(in alcuni casi)
74. Sistema per la rilevazione remota di sostanze
SERS attive
SPETTROMETRO RAMAN - Substrato SERS attivo esterno alla fibra ottica
- Utilizzo di 2 fibre ottiche
- Substrato SERS attivo sulla fibra ottica
- Configurazione “optrode” (unica fibra ottica)
SPETTROMETRO RAMAN
75. Evoluzione della geometria del sensore SERS
Le riflessioni multiple in prossimità del film di argento rendono possibile
la rilevazione di eventuali molecole SERS attive alla superficie del film
C. Viets and W. Hill ; Sens. Actuators B 51, 92 (1998)
C. Viets, W. Hill ; J. Raman Spectrosc. 31, 625 (2000)
Rivestimento
di argento
cladding
C. Viets, W. Hill ; Journal of Molecular Structure 563-564, 163 (2001)
core
76. Etching statico mediante HF e un solvente organico
Possibilità di variare
l’angolo del cono al
variare del solvente
utilizzato
P. Hoffmann, B. Dutoit, R-P. Salathé ; Ultramicroscopy 61, 165 (1995)
77. Realizzazione del substrato SERS attivo
Le riflessioni multiple in prossimità del film di argento molto sottile (<100nm)
rendono possibile la rilevazioni di eventuali molecole SERS attive alla
superficie del film
Rivestimento
di argento
cladding
core
1 mm
78. Sensore SERS in fibra ottica a geometria ottimizzata
CORE CLADDING FILM DI ARGENTO
1) Aumentato numero di riflessioni interne
2) Maggiore superficie SERS attiva
d 500 μm
αcono
Parametri geometrici che influenzano il limite di rilevabilità:
αcono, S, L
A.Lucotti, G.Zerbi, Fiber-optic SERS sensor with optimized geometry, Sensor and Actuators B, 121 (2007) 356
Brevetto: MI2005A 000422
Titolo: Sonda ottica per la rivelazione di molecole SERS attive e procedimento per la sua fabbricazione
Patent: PCT/IB2006/000543
Title: Optical probe for detecting SERS-active molecules and process for its manufacture
79. Preparazione della terminazione del sensore :
etching statico in due step
- Immersione della fibra in HF ricoperto da uno strato di solvente organico
- Formazione di un menisco la cui altezza decresce al diminuire del diametro
della fibra consentendo la formazione del cono
Possibilità di controllo:
• angolo del cono variando il tipo di solvente organico
• sezione S della zona ristretta variando il tempo di immersione del 1° step
• lunghezza del tratto L variando la profondità di immersione dopo il 1° step
A.Lucotti, G.Zerbi, Fiber-optic SERS sensor with optimized geometry, Sensor and Actuators B, 121 (2007) 356
81. Sensore SERS in fibra ottica a geometria ottimizzata
MOLECOLE DA RILEVARE
LUCE DIFFUSA DALLE MOLECOLE =
= INFORMAZIONI SULLE VIBRAZIONI LASER
E SUL TIPO DI MOLECOLA
NANOPARTICELLE DI ARGENTO
500 μm
AFM
1 μm
84. Modalità di utilizzo del sensore
Misura Dip & Dry
Misura con sensore
immerso
L’effetto di intensificazione ottenuto passando dalla misura con sensore immerso
a quella Dip&Dry è attribuibile a diversi contributi sinergici:
- l’effetto di concentrazione dovuto all’evaporazione del solvente
- la modificazione delle condizioni di Surface Plasmon Resonance (SPR)
causata dalla variazione dell’indice di rifrazione del mezzo
A. Lucotti, A. Pesapane, G. Zerbi, Applied spectroscopy, 61 (2007) 260-268
85. Segnale misurato vs. tempo di immersione
Effetto di concentrazione: l’intensità del segnale aumenta all’aumentare del tempo
di immersione.
Siamo in presenza di una cinetica di adsorbimento come confermano le prove
effettuate a diverse concentrazioni.
A. Lucotti, A. Pesapane, G. Zerbi, Applied spectroscopy, 61 (2007) 260-268
86. Riutilizzabilità
La riutilizzabilità del sensore è legata alla possibilità di ripristino dello stesso fino al
segnale del bianco tramite un’operazione di lavaggio
• Immersione del sensore e acquisizione
della misura
• Estrazione e acquisizione della misura
Dip&Dry
• Lavaggio in acido perclorico o solforico
a pH 1÷2 e asciugatura in aria
• Lavaggio in H2O
Si nota una decrescita del segnale causata da una degradazione graduale del substrato
dovuta principalmente al distaccamento di nanoparticelle
69% segnale iniziale
Dopo 10 lavaggi : segnale immerso
65% segnale iniziale
segnale Dip&Dry
A. Lucotti, A. Pesapane, G. Zerbi, Applied spectroscopy, 61 (2007) 260-268
87. Preparazione del substrato SERS del sensore
substrato di nanoparticelle substrato di nanoparticelle
di argento immobilizzate di argento disperse
in PVA (Polyvinyl Alcohol)
2) Asciugatura in aria
3 minuti
1) Immersione del sensore
qualche secondo
88. Sensore con substrato SERS di NP disperse in PVA
Con questo tipo di substrato SERS attivo è possibile utilizzare la stessa sonda in fibra
ottica semplicemente realizzando ogni volta un nuovo film di PVA contenente
nanoparticelle di argento (3 minuti).
• Immersione del sensore nella soluzione di
misura (15 secondi)
• Estrazione e acquisizione della misura
Dip&Dry (3 minuti)
• Immersione in acido nitrico (1 minuto) e
in H2O (1 minuto)(con agitazione)
• Rideposizione del film di PVA contenente
nanoparticelle di argento (3 minuti)
89. Limiti di rilevabilità
LOD del CV(*)
Tipo di substrato SERS Tecnica di
utilizzato misura
NP immobilizzate 0.02 ppb D&D
NP immobilizzate 0.1 ppb IM
PVA 0.2 ppb D&D
Con NaCl aggiunto in soluzione
NP immobilizzate 0.002ppb D&D
NP immobilizzate 0.002ppb IM
CV = Crystal Violet IM = misura con sensore immerso LOD = Limit Of Detection D&D = misura Dip & Dry
(*) valori ottenuti con lo spettrometro Raman Dilor xy della Jobin Yvon
I limiti di rilevabilità raggiunti
(inferiori al ppb) vanno ben oltre quelli
richiesti e permettono di ipotizzare un
utilizzo del sensore anche con
spettrometri Raman meno performanti
come quelli portatili.
90. Applicazioni (in fase di sviluppo)
Biologia e Biogenetica
Scienze forensi, (SERS labels for gene detection)
analisi ambientale e
alimentare
Sofisticazione alimentare
(European Food Safety Authority)
report del 2005 RhodamineB
Itticoltura e mangimi animali
(Food & Drug Administration)
MG e CV
