Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica
                        quot;Giulio Nattaquot;
               Piaz...
Schema della presentazione

- Nanoparticelle per applicazioni SERS: preparazione

 - Nanoparticelle per applicazioni SERS:...
NANOPARTICELLE METALLICHE
   PER APPLICAZIONI SERS:
 PREPARAZIONE E PROPRIETÁ
Nanoparticelle di argento e oro nell’antichità




          Coppa di Licurgo
                                           V...
Preparazione di nanoparticelle metalliche




         UP               TOP
M




M+    BOTTOM             DOWN
Preparazione di nanoparticelle metalliche

M+                                                      N anoparticle
         ...
Interazione tra campo elettrico e nanoparticelle metalliche

Il campo elettrico associato alla radiazione elettomagnetica ...
Interazione tra campo elettrico e nanoparticelle metalliche




   Il campo elettrico associato alla radiazione elettomagn...
Intensificazione elettromagnetica:
                     nanoparticella isolata
 In un punto M a distanza d dalla nanoparti...
Intensificazione elettromagnetica:
                    nanoparticella isolata

                                           ...
Influenza delle dimensioni delle NP sulla frequenza di
                risonanza plasmonica

               120

         ...
Influenza dell’indice di rifrazione del mezzo sulla
              risonanza plasmonica


                                 ...
Riduzione di Ag+ ad Ago mediante trisodio citrato


                    Ag + + e − ⎯⎯ ⎯ ⎯ → Ag o
                         ...
Dispersioni colloidali di argento
             0.9


                          420 nm
             0.8



                ...
Dispersioni colloidali di argento
                 1.2

                                                                 R...
Dispersioni colloidali di oro

                                           520 nm
             0,9

             0,8

     ...
Dispersioni colloidali di oro (in toluene)
                                                                  RIDUCENTE: BO...
Nanoparticelle di argento in toluene
1) Preparazione dei sali di sodio di un acido grasso facendo reagire in una soluzione...
Stabilizzazione di nanoparticelle metalliche
SCATTERING RAMAN
Cosa è lo scattering Raman?
Quando un fascio di luce monocromatica incide su di un materiale è possibile
osservare la diff...
Questo è possibile perché le molecole vibrano

Si può schematizzare una molecola biatomica come due masse (atomi)
        ...
Trattazione classica dello scattering Raman
La luce è un’onda trasversale, il campo elettrico e quello magnetico oscillano...
Trattazione classica dello scattering Raman
Utilizzando la (3) otteniamo:

                                               ...
Trattazione classica dello scattering Raman




       Rayleigh                                        anti-Stokes        ...
Oscillatore armonico classico e quantistico




                                   1
                     E n = hν ( n + )...
Scattering Rayleigh e Raman




   Schema dei livelli elettronici fondamentale (g), eccitato (e), virtuali (m, m’) e dei
l...
Stokes e anti-Stokes


      RAYLEIGH




 N ( v =1)           ( − ΔE / KT )
             = exp
 N ( v =0)
Molecole poliatomiche con N>2


                                                                        2
                ...
Stokes e anti-Stokes

     RAYLEIGH




STOKES


              ANTI-STOKES
Frequenze di oscillazione


                                          ν (C≡C) ≅ 2200 cm-1

                               ...
ALCUNE FREQUENZE DI GRUPPO


                                       C=O stretching
O-H stretching
                        ...
ESEMPIO: TOLUENE




3N – 6 = 3*15 – 6 = 39 modi di vibrazione
ESEMPIO: SPETTRO RAMAN DEL TOLUENE

                                                                                      ...
RAMAN E RAMAN RISONANTE




Raman risonante   Raman risonante    Raman        Raman
 Anti-Stokes         Stokes         An...
RAMAN RISONANTE




       Raman Intensity (a.u.)
                                 Raman risonante di carotenoidi




    ...
SCHEMA DI UNO SPETTROMETRO A RETICOLO
SERS
(Surface Enhanced Raman Scattering)
SERS (Surface Enhanced Raman Scattering)

Consiste in una intensificazione del segnale Raman (anche maggiore di 106 volte)...
Fattori che determinano l’incremento del
                    segnale Raman:



         1) Intensificazione elettromagneti...
Intensificazione elettromagnetica:
                      nanoparticella isolata
In un punto M a distanza d dalla nanoparti...
Intensificazione elettromagnetica:
                  nanoparticella isolata

                                             ...
Intensificazione elettromagnetica:
                             nanoparticella isolata
Il fattore di intensificazione sarà...
Interazione tra campo elettrico e nanoparticelle



   E



         Aggregati di nanoparticelle
Intensificazione chimica
  Il fattore di intensificazione chimico che è dell'ordine di 10-100 è notevolmente
  più debole ...
Sezione d’urto di scattering Raman


                                 PRAMAN = N ⋅ nLaser ⋅ σ Raman

                     ...
Come si ottiene uno spettro SERS con l’utilizzo delle nanoparticelle
                                  metalliche?


1)   ...
Aggregazione di nanoparticelle di argento

       ASSORBIMENTO UV-VIS                       MICROSCOPIO OTTICO
0.7



    ...
Valutazione del fattore di intensificazione:
    utilizzo di un riferimento interno

                σ eff . σ ads ⋅ A(ν L...
Valutazione del fattore di intensificazione:
         utilizzo di un riferimento interno (metanolo)
0,0034
               ...
Valutazione del fattore di intensificazione:
      metodo del rapporto stokes-antistokes




Ultrasensitive Chemical Analy...
Valutazione del fattore di intensificazione:
                         metodo del rapporto stokes-antistokes

             ...
A cosa serve il SERS ?

Il Raman è una tecnica molto potente ma è affetta da due grosse limitazioni

              1) La b...
SERS E FLUORESCENZA



                                                                      CONCENTRAZIONE
              ...
Applicazioni

       - Single Molecule Spectroscopy

- TERS (Tip Enhanced Raman Spectroscopy)

      - Landmine Detection ...
Single molecule spectroscopy




K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L.T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, M.S. Feld, Single ...
Microscopio confocale
Single molecule spectroscopy




                      moli         moli                moli           molecole        mol...
Single molecule spectroscopy

 Si sfrutta l’estrema diluizione delle molecole da analizzare in una soluzione
 contenente n...
TERS (Tip Enhanced Raman Spectroscopy)

  Sfruttando l’effetto di intensificazione del campo elettromagnetico prodotto da
...
Landmine Detection with SERS




   www.eiclabs.com/Detection_of_Landmines.pdf
Surface-Enhanced Raman Detection of 2,4-Dinitrotoluene
     Impurity Vapor as a Marker To Locate Landmines




Test per la...
Landmine Detection with SERS




   www.eiclabs.com/Detection_of_Landmines.pdf
Ultra-sensitive trace analysis of cyanide water pollutant using
               Surface-enhanced Raman spectroscopy




   ...
Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) Method and
 Instrumentation for Genomics and Biomedical Analysis




       T. Vo...
Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) Method and
 Instrumentation for Genomics and Biomedical Analysis




      T. Vo-...
Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) Method and
 Instrumentation for Genomics and Biomedical Analysis




       T. Vo...
Applicability of surface-enhanced resonance Raman scattering
       for the direct discrimination of ballpoint pen inks


...
Applicability of surface-enhanced resonance Raman scattering
       for the direct discrimination of ballpoint pen inks


...
Applicability of surface-enhanced resonance Raman scattering
        for the direct discrimination of ballpoint pen inks

...
Applicability of surface-enhanced resonance Raman scattering
        for the direct discrimination of ballpoint pen inks

...
SENSORI SERS IN
 FIBRA OTTICA
Sensori SERS in fibra ottica

 Vantaggi del SERS + Vantaggi dei sensori in fibra ottica


- Intensificazione del segnale R...
Sistema per la rilevazione remota di sostanze
                   SERS attive




SPETTROMETRO RAMAN      - Substrato SERS ...
Evoluzione della geometria del sensore SERS

Le riflessioni multiple in prossimità del film di argento rendono possibile
l...
Etching statico mediante HF e un solvente organico


 Possibilità di variare
 l’angolo del cono al
 variare del solvente
 ...
Realizzazione del substrato SERS attivo

Le riflessioni multiple in prossimità del film di argento molto sottile (<100nm)
...
Sensore SERS in fibra ottica a geometria ottimizzata



       CORE            CLADDING                      FILM DI ARGEN...
Preparazione della terminazione del sensore :
                   etching statico in due step
   - Immersione della fibra i...
Immobilizzazione di nanoparticelle di argento
Sensore SERS in fibra ottica a geometria ottimizzata

                                            MOLECOLE DA RILEVARE


 ...
Modalità di utilizzo del sensore

                                                                  Esempio: Crystal Viole...
Rhodamine 6G

                                                                      Limite di rilevazione
                ...
Modalità di utilizzo del sensore



Misura Dip & Dry




Misura con sensore
immerso



  L’effetto di intensificazione ott...
Segnale misurato vs. tempo di immersione
Effetto di concentrazione: l’intensità del segnale aumenta all’aumentare del temp...
Riutilizzabilità

La riutilizzabilità del sensore è legata alla possibilità di ripristino dello stesso fino al
           ...
Preparazione del substrato SERS del sensore


substrato di nanoparticelle       substrato di nanoparticelle
 di argento im...
Sensore con substrato SERS di NP disperse in PVA
Con questo tipo di substrato SERS attivo è possibile utilizzare la stessa...
Limiti di rilevabilità
                                                     LOD del CV(*)
         Tipo di substrato SERS ...
Applicazioni (in fase di sviluppo)
                                                      Biologia e Biogenetica
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4 P Presentazione2007

  1. 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. 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
  3. 3. NANOPARTICELLE METALLICHE PER APPLICAZIONI SERS: PREPARAZIONE E PROPRIETÁ
  4. 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.
  5. 5. Preparazione di nanoparticelle metalliche UP TOP M M+ BOTTOM DOWN
  6. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  14. 14. Dispersioni colloidali di argento 0.9 420 nm 0.8 Dmedio= 35 nm ASSORBANZA 0.6 120 nm Abs 0.4 0.2 0 RIDUCENTE: CITRATO 250 400 600 800 1000 Wavelength[nm]
  15. 15. Dispersioni colloidali di argento 1.2 RIDUCENTE: BOROIDRURO 390 nm 1.1 1.0 Dmedio= 7 nm 0.9 ASSORBANZA 0.8 Absorbance 0.7 50 nm 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 300 400 500 600 700 Wavelength (nm) TEM
  16. 16. Dispersioni colloidali di oro 520 nm 0,9 0,8 0,7 0,6 Absorbance 0,5 0,4 0,3 Dmedio= 20 nm 0,2 0,1 300 400 500 600 700 RIDUCENTE: CITRATO Wavelength (nm)
  17. 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. 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)
  19. 19. Stabilizzazione di nanoparticelle metalliche
  20. 20. SCATTERING RAMAN
  21. 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. 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. 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. 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. 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 ⎟ ⎝ ⎠
  26. 26. Oscillatore armonico classico e quantistico 1 E n = hν ( n + ) 2 1 V = K ⋅r2 2 Potenziale anarmonico quantizzato
  27. 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
  28. 28. Stokes e anti-Stokes RAYLEIGH N ( v =1) ( − ΔE / KT ) = exp N ( v =0)
  29. 29. Molecole poliatomiche con N>2 2 ⎛ ∂α ⎞ ⎜ ∂q ⎟ ∝⎜ Bending Stretching I Raman ⎟ (piegamento) (stiramento) ⎠ ⎝ 3n-6 possibili vibrazioni indipendenti (3n- 5 per molecole lineari) H2 O IRaman≠0 ∂α ≠0 Stretching Stretching Scissoring ∂q simmetrico antisimmetrico 1596 cm-1 3652 cm-1 3756 cm-1 CO2 RAMAN IR
  30. 30. Stokes e anti-Stokes RAYLEIGH STOKES ANTI-STOKES
  31. 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. 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 )
  33. 33. ESEMPIO: TOLUENE 3N – 6 = 3*15 – 6 = 39 modi di vibrazione
  34. 34. ESEMPIO: SPETTRO RAMAN DEL TOLUENE Moto di respiro dell’ anello aromatico 1.00 TOLUENE 0.95 0.90 C-H stretching 0.85 aromatici 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 Deformazione Raman intensity C-H stretching 0.55 a ombrello del 0.50 metile metile 0.45 0.40 0.35 C=C stretching 0.30 aromatico 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Raman shift (cm-1)
  35. 35. RAMAN E RAMAN RISONANTE Raman risonante Raman risonante Raman Raman Anti-Stokes Stokes Anti-Stokes Stokes
  36. 36. RAMAN RISONANTE Raman Intensity (a.u.) Raman risonante di carotenoidi 1500 1100 Wavenumbers (cm-1)
  37. 37. SCHEMA DI UNO SPETTROMETRO A RETICOLO
  38. 38. SERS (Surface Enhanced Raman Scattering)
  39. 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. 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. 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. 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. 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
  44. 44. Interazione tra campo elettrico e nanoparticelle E Aggregati di nanoparticelle
  45. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  57. 57. Microscopio confocale
  58. 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. 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. 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
  61. 61. Landmine Detection with SERS www.eiclabs.com/Detection_of_Landmines.pdf
  62. 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
  63. 63. Landmine Detection with SERS www.eiclabs.com/Detection_of_Landmines.pdf
  64. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  72. 72. SENSORI SERS IN FIBRA OTTICA
  73. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  80. 80. Immobilizzazione di nanoparticelle di argento
  81. 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
  82. 82. Modalità di utilizzo del sensore Esempio: Crystal Violet Limite di rilevazione raggiunto : 0.02 ppb SEGNALE FIBRA Raman intensity SOTTRAZIONE 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 -1 Wavenumbers (cm )
  83. 83. Rhodamine 6G Limite di rilevazione raggiunto : 0.2 ppb SEGNALE Raman intensity (a.u.) FIBRA SOTTRAZIONE 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 -1) Wavenumbers (cm
  84. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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

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