4 P Presentazione2007

Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria ChimicaDipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica"Giulio Natta" "Giulio Natta"

Piazza Leonardo da Vinci 32, 20133 MilanoPiazza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano

NANOPARTICELLE METALLICHE PER DIAGNOSTICA NANOPARTICELLE METALLICHE PER DIAGNOSTICA E SENSORISTICAE SENSORISTICA

Ing.Ing. Andrea Andrea LucottiLucotti

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

http://images.google.it/imgres?imgurl=http://www.ewh.ieee.org/soc/im/imtc/imtcur/polimi.gif&imgrefurl=http://www.ewh.ieee.org/soc/im/imtc/imtcur/sponsors.html&h=949&w=1008&sz=29&hl=it&start=41&tbnid=JMdiQ3oiz3zw2M:&tbnh=141&tbnw=150&prev=/images%3Fq%3Dpolitecnico%2BMilano%26start%3D40%26ndsp%3D20%26svnum%3D10%26hl%3Dit%26lr%3D%26sa%3DN

NANOPARTICELLE METALLICHE NANOPARTICELLE METALLICHE NANOPARTICELLE METALLICHE PER APPLICAZIONI SERS: PER APPLICAZIONI SERS: PER APPLICAZIONI SERS:

PREPARAZIONE E PROPRIETPREPARAZIONE E PROPRIETPREPARAZIONE E PROPRIETÁÁÁ

Nanoparticelle di argento e oro nellNanoparticelle di argento e oro nell’’antichitantichitàà

Vetrata del Duomo di Milano. Realizzata da Niccolò da

Varallo tra il 1480 e il 1486.Il colore rosso è dovuto a

nanoparticelle d’oro

Coppa di LicurgoCoppa romana (IV secolo a.C.)

contiene nanoparticelle di oro e argento cambia colore a seconda che la luce venga trasmessa attraverso di essa o

riflessa dalla superficie.


Preparazione di nanoparticelle metallichePreparazione di nanoparticelle metalliche

BOTTOM

UP TOP

DOWNM+

M


M+

M+

M+

M+

M+

M++ ne-

M

M = Au, Pt, Ag, Pd, Co, Fe …

Riducenti = citrato, boroidruro, idrazina…

Preparazione di nanoparticelle metallichePreparazione di nanoparticelle metalliche

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)

M + + Reductant NanoparticleRiducente Nanoparticelle


Il campo elettrico associato alla radiazione elettomagnetica incidente induce un dipolo sulla nanoparticella metallica

Poiché le oscillazioni della densità del gas elettronico sono confinate alla superficie della nanoparticella questo tipo di eccitazione viene chiamata plasmone di superficie

0

0.9

0.2

0.4

0.6

0.8

250 1000400 600 800

Abs

Wavelength[nm]

λmax

Interazione tra campo elettrico e nanoparticelle metallicheInterazione tra campo elettrico e nanoparticelle metalliche


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

Il campo elettrico associato alla radiazione elettomagnetica incidente induce moti di carica collettivi

Interazione tra campo elettrico e nanoparticelle metallicheInterazione tra campo elettrico e nanoparticelle metalliche


Intensificazione elettromagnetica:Intensificazione elettromagnetica:nanoparticella isolatananoparticella 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.


Nel caso di nanoparticella con costante dielettrica complessa

intorno di costante dielettrica εo , rapporto tra raggio della nanoparticella e

lunghezza d'onda della radiazione incidente

vale la seguente espressione per il campo elettrico E generato dal dipolo

oscillante

Volendo determinare un fattore di intensificazione del campo elettromagnetico e

trascurando E0 rispetto a Esp possiamo scrivere

''' εεε i+=

05,0≤λr

( )300

03 12 dr

ErESP +⋅⋅

+−

⋅=εε

εε

( )3

0

0

00 2⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅

+−

=≈=dr

rEE

EEA spm

εεεεν



y = 0,9677x - 367,78R2 = 0,957

0

20

40

60

80

100

120

380 400 420 440 460 480 500

Dia

met

ro N

P

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

NP di Ag in soluzione acquosa.

E’ possibile effettuare una valutazione approssimata ma rapida delle dimensioni delle NP

riferendosi ad una relazione empirica che lega il diametro delleNP alla lunghezza d’onda del

massimo di assorbimento.

Condizioni di risonanza plasmonica :ε = ε( metallo, λ, dim.NP )= −2εm

Lunghezza d’onda (nm)


375

395

415

435

455

475

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

Indice di rifrazione n

PVA

H2O

aria

Influenza dellInfluenza dell’’indice di rifrazione del mezzo sulla indice di rifrazione del mezzo sulla risonanza plasmonicarisonanza plasmonica

NP di Ag

Condizioni di risonanza plasmonica : ε = −2εm

Lun

ghez

za d

’ond

a (n

m)


Riduzione di Riduzione di AgAg++ ad Agad Agoo mediante mediante trisodiotrisodio citrato citrato

oRIDUZIONE AgeAg ⎯⎯⎯⎯ →⎯+ −+

Ag

OSSIDAZIONE DEL CITRATO

NUCLEAZIONEAg

+

n ACCRESCIMENTOnanoparticella Ag

Agente riducente = citrato


Dispersioni colloidali di argentoDispersioni colloidali di argento

0

0.9

0.2

0.4

0.6

0.8

250 1000400 600 800

Abs

Wavelength[nm]

420 nm

120 nmA

SSO

RB

AN

ZA

RIDUCENTE: CITRATO

Dmedio= 35 nm


0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

Abs

orba

nce

300 400 500 600 700 Wavelength (nm)

390 nm

50 nmA

SSO

RB

AN

ZA

Dmedio= 7 nm

RIDUCENTE: BOROIDRURO

Dispersioni colloidali di argentoDispersioni colloidali di argento

TEM


Dispersioni colloidali di oroDispersioni colloidali di oro

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Abs

orba

nce

300 400 500 600 700 Wavelength (nm)

520 nm

RIDUCENTE: CITRATO

Dmedio= 20 nm


0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

0.24

Abso

rban

ce

300 400 500 600 700 Wavelength (nm)

520 nmRIDUCENTE: BOROIDRURO

Dmedio= 6 nm

Dispersioni colloidali di oro (in toluene)Dispersioni colloidali di oro (in toluene)

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 èpresente il sodio boroidruro. Per questo motivo le due fasi durante la riduzione devono essere intimamente miscelate (forte agitazione).


Nanoparticelle di argento in tolueneNanoparticelle di argento in toluene

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

Abso

rban

ce

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

Wavelength (nm)

430 nm

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


Stabilizzazione di nanoparticelle metallicheStabilizzazione di nanoparticelle metalliche


SCATTERING RAMANSCATTERING RAMANSCATTERING 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.

Cosa Cosa èè lo scattering Raman?lo scattering Raman?

Lo spettro Raman fornisce informazioni sulle vibrazioni dellamolecola ( è “l’impronta digitale” della molecola )


m1 m2equilibrio

estensione

compressione

F F

0 0x1 x2

+ +--

Questo Questo èè possibile perchpossibile perchéé le molecole vibranole molecole vibrano

Si può schematizzare una molecola biatomica come due masse (atomi)legate da una molla di costante elastica K

Si definisce massa ridotta

Tramite l’equazione del motoè possibile ricavare la frequenza di oscillazione

μπKf

21

=


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:

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 :

dove α è il tensore di polarizzabilità della molecola.La polarizzabilità dipende dalle coordinate vibrazionali Q

e α = α(Q) può essere espressa in serie di Taylor

(1)

(2)

(3)

(4)

Trattazione classica dello scattering RamanTrattazione classica dello scattering Raman


Rayleigh Stokesanti-Stokes

Utilizzando la (3) otteniamo:

Ora inserendo la (1) e la (5) nella (2) otteniamo la seguente espressione del momento di dipolo elettrico:

ed utilizzando la formula trigonometrica di Werner

l’espressione finale del momento di dipolo può essere riscritta nel seguente modo:

(5)

(6)

(7)



Rayleigh Stokesanti-Stokes


L’intensità della radiazione elettromagnetica Stokes è proporzionale a

( ) )(0

24

LMLStokes IQ

I ωαωω ⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

⋅−≈

( ) KTh

LMLStokesanti

M

eIQ

Iν

ωαωω−

− ⋅⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

⋅+≈ )(0

24

L’intensità della radiazione elettromagnetica anti-Stokes è proporzionale a


Oscillatore armonico classico e quantisticoOscillatore armonico classico e quantistico

Potenziale anarmonico quantizzato

2

21 rKV ⋅=

)21( += nhEn ν


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

Scattering Scattering RayleighRayleigh e Ramane Raman


RAYLEIGH

)/(

)0(

)1( exp KTE

v

v

NN Δ−

=

= =

Stokes e antiStokes e anti--StokesStokes


0≠∂∂

qα

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∝q

I Ramanα

Molecole Molecole poliatomichepoliatomiche con N>2con N>2

IRaman≠0

CO2RAMAN IR

Stretching(stiramento)

Bending(piegamento)

3n-6 possibili vibrazioni indipendenti (3n-5 per molecole lineari)

H2O

Stretchingsimmetrico3652 cm-1

Stretchingantisimmetrico

3756 cm-1

Scissoring1596 cm-1


RAYLEIGH

ANTI-STOKES

STOKES

Stokes e antiStokes e anti--StokesStokes


Conseguenze:-tanto maggiore è la forza di legame tanto maggiore è la frequenza-tanto maggiori sono le masse tanto minore è la frequenza

ν (C≡C) ≅ 2200 cm-1

ν (C=C) ≅ 1640 cm-1

ν (C-C) ≅ 1000 cm-1

ν(C-C) ≅ 1000 cm-1

ν(C-H) ≅ 3000 cm-1

Kaumenta

μaumenta

Frequenze di oscillazioneFrequenze di oscillazione


ALCUNE FREQUENZE DI GRUPPOALCUNE FREQUENZE DI GRUPPO

0100020003000

RAMAN SHIFT ( cm-1 )

CH stretching

C=C stretching

C-O-C stretching

O-H stretching

N-H stretching gCstretchinC ≡

gNstretchinC ≡

C-H out-of-planebending

C=O stretching

C-H in planebending

C-S stretching


ESEMPIO: TOLUENEESEMPIO: TOLUENE

3N – 6 = 3*15 – 6 = 39 modi di vibrazione


C-H stretchingaromatici

C-H stretchingmetile

C=C stretchingaromatico

Moto di respiro dell’ anello aromatico

ESEMPIO: SPETTRO RAMAN DEL TOLUENEESEMPIO: SPETTRO RAMAN DEL TOLUENE

TOLUENE

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

Ram

an in

tens

ity

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Raman shift (cm-1)

Deformazione a ombrello del

metile


RAMAN E RAMAN RISONANTERAMAN E RAMAN RISONANTE

Raman risonante Raman risonante Raman RamanAnti-Stokes Stokes Anti-Stokes Stokes


Raman risonante di carotenoidi

RAMAN RISONANTERAMAN RISONANTE

Ram

an In

tens

ity(a

.u.)

1500 Wavenumbers (cm-1) 1100


SCHEMA DI UNO SPETTROMETRO A RETICOLOSCHEMA DI UNO SPETTROMETRO A RETICOLO


SERS SERS SERS (((SurfaceSurfaceSurface EnhancedEnhancedEnhanced Raman Scattering)Raman Scattering)Raman Scattering)

SERS (SERS (SurfaceSurface EnhancedEnhanced Raman Scattering)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


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 ilcomplesso a trasferimento di carica che si forma tra superficie

metallica e molecola adsorbita

Fattori che determinano lFattori che determinano l’’incremento delincremento delsegnale Raman:segnale Raman:



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.


Nel caso di nanoparticella con costante dielettrica complessa

intorno di costante dielettrica εo , rapporto tra raggio della nanoparticella e

lunghezza d'onda della radiazione incidente

vale la seguente espressione per il campo elettrico E generato dal dipolo

oscillante.

Volendo determinare un fattore di intensificazione del campo elettromagnetico e

trascurando E0 rispetto a Esp possiamo scrivere

''' εεε i+=

05,0≤λr

( )300

03 12 dr

ErESP +⋅⋅

+−

⋅=εε

εε

( )3

0

0

00 2⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅

+−

=≈=dr

rEE

EEA spm

εεεεν



Il fattore di intensificazione sarà

( ) ( ) ( )( )

62

0

02

2⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅

+−

≈=dr

rAGενε

ενενν

( ) ( ) ( ) 22sLsem AAG ννν ⋅=

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

dove A(νL) e A(νs) sono rispettivamente il fattore di intensificazione alla frequenza della linea eccitatrice e alla frequenza stokes considerata.

( ) ( )( ) ( )

122

0

0

2

0

0

2)(

2⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅

+−

⋅+−

≈dr

rGs

s

L

Lsem ενε

ενεενε

ενεν

Questo semplice modello mette in evidenza la forte dipendenza del fattore di intensificazione dalla distanza tra molecola e nanoparticella



Aggregati di nanoparticelleAggregati di nanoparticelle

Interazione tra campo elettrico e nanoparticelleInterazione tra campo elettrico e nanoparticelle

E


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.

Intensificazione chimicaIntensificazione chimica


220

' )()( sabsRamanLaserSERS AAnNP ννσ ⋅⋅⋅⋅=

RamanLaserRAMAN nNP σ⋅⋅=

Sezione dSezione d’’urto di scattering Ramanurto di scattering Raman

Sezione dSezione d’’urtourto SERSSERS

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡s

stokesfotonino

[ ]molecolen° [ ]2m⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅ 2ms

laserfotonino

[ ]2m

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡s

stokesfotonino

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅ 2ms

laserfotonino

n° molecole coinvolte nell’effetto SERSSERS

LaserSERS nNP σ⋅⋅= '


Come si ottiene uno spettro SERS con lCome si ottiene uno spettro SERS con l’’utilizzo delle nanoparticelleutilizzo delle nanoparticellemetalliche?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

3bis) Si aggregano le nanoparticelle in modo da spostare e allargare il plasmone di superfice affinchè sia in risonanza con la linea eccitatrice

oppure


Aggregazione di nanoparticelle di argentoAggregazione di nanoparticelle di argento

10μm

AFM

220 μm 110 μm

MICROSCOPIO OTTICOASSORBIMENTO UV-VIS

Concentrazionedi NaCl

0.0

0.7

0.2

0.4

0.6

268 1367500 1000

Wavelength[nm]


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

( ) ( )Rfree

sLRads

Rfree

effTOT

AAI

σννσ

σσ 22

. ⋅⋅==

AnalitaAggregati di nanoparticelle

Riferimento interno


0,0004

0,0006

0,0008

0,0010

0,0012

0,0014

0,0016

0,0018

0,0020

0,0022

0,0024

0,0026

0,0028

0,0030

0,0032

0,0034

1000 1500 Raman shift (cm-1)

SERS

Raman

ARamanIRif

RamanI

ASERSI

RifSERSI

assARaman

assASERS

IIAAZIONEINTENSIFIC =)(

Valutazione del fattore di intensificazione: Valutazione del fattore di intensificazione: utilizzo di un riferimento interno (metanolo)utilizzo di un riferimento interno (metanolo)


Ultrasensitive Chemical Analysis by Raman spectroscopy, K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R.R. Dasari, M.S. Feld, Chemical Reviews 99 (1999) 2957 - 75

Valutazione del fattore di intensificazione: Valutazione del fattore di intensificazione: metodo del rapporto stokesmetodo del rapporto stokes--antistokesantistokes


SERSSP

SERSaSP

T*.=120 °C

Valutazione del fattore di intensificazione: Valutazione del fattore di intensificazione: metodo del rapporto stokesmetodo del rapporto stokes--antistokesantistokes

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

Ram

an in

tens

ity

-600 -400 -200 0 200 400 600

Raman shift (cm-1)

Potenza Laser:100 mW200 mW300 mW400 mW600 mW800 mW


A cosa serve il SERS ?A cosa serve il SERS ?

Grazie a questo il SERS trova suo naturale ambito di utilizzo insensoristica. Inoltre grazie alla notevole intensificazione garantitada alcuni substrati SERS (colloidi di argento e oro) si sono potuti

registrare spettri SERS di singole molecole.

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 poichéincrementa notevolmente la sezione d’urto efficace ed in alcuni casil’interazione della molecola con il metallo produce un abbattimento

della fluorescenza


SERS E FLUORESCENZASERS E FLUORESCENZA

1)Lunghezza d’onda eccitatrice : 514nm 10mW2)Tempo di accumulazione: 10s

3)Le molecole adsorbite sulle nanoparticelle metalliche presentanoun energy transfer tra LUMO e livelli del metallo producendo un

abbattimento della fluorescenza

RHODAMINE 6G10-3 - 10-9 M

CONCENTRAZIONERHODAMINE 6G

Ram

an in

tens

ity(a

.u.)

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700

Wavenumbers (cm-1)


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


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

Single Single moleculemolecule spectroscopyspectroscopy


Microscopio Microscopio confocaleconfocale



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

pLmolecole

molemolecole

pLmoliN

pLmoli

LmoliMc av 06.010610101010 2325251313 =⋅⋅=⋅=== −−−−



Si sfrutta l’estrema diluizione delle molecole da analizzare in una soluzionecontenente nanoparticelle di argento.Nel caso in questione (3*10-14M) nel volume di scattering (30 pL) vi sono statisticamente 0.6 molecole.

1014 molecole di metanolo in 30 pL (Raman) 0.6 molecole di Crystal Violet in 30 pL (SERS)

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


TERS (TERS (TipTip EnhancedEnhanced Raman Raman SpectroscopySpectroscopy))

Cresyl blue SERS spectra. Adapted from Stöckle et al., Chem. Phys. Lett. 2000, 318, 131

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


LandmineLandmine Detection Detection withwith SERSSERS

www.eiclabs.com/Detection_of_Landmines.pdf


SurfaceSurface--EnhancedEnhanced Raman Detection of 2,4Raman Detection of 2,4--Dinitrotoluene Dinitrotoluene ImpurityImpurity Vapor Vapor asas a Marker a Marker ToTo Locate Locate LandminesLandmines

James M. Sylvia, James A. Janni, J. D. Klein, and Kevin M. Spencer, Anal. Chem. 2000, 72, 5834-5840

Test per la rilevazione di vapori di 2,4-DNT da soluzioni acquose

* Test eseguito con acetone come contaminante

Test per la rilevazione di vapori di 2,4-DNT da campioni di terreno contaminato con

carburante diesel

SERS spectra of 5 pg of TNT

SERS spectra of 25 pg of 2,4-DNT,

SERS spectra of 50 pg of 1,3-DNB

NO2 out-of-plane bending

NO2 stretching

aromatic ring breathing


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c4/Trinitrotoluene.svg

LandmineLandmine Detection Detection withwith SERSSERS

www.eiclabs.com/Detection_of_Landmines.pdf


300 ppb200 ppb100 ppb50 ppb5 ppb1 ppb0 ppb

UltraUltra--sensitive sensitive tracetrace analysisanalysis of of cyanidecyanide water water pollutantpollutant usingusingSurfaceSurface--enhancedenhanced Raman Raman spectroscopyspectroscopy

Kwon-hae Yea, Sangyeop Lee, Jin Burm Kyong, Jaebum Choo, Eun Kyu Lee, Sang-Woo Jooc and Sanghoon Lee, Analyst, 2005, 130, 1009

R = 0.991


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)

SurfaceSurface--enhanced Raman Scattering (SERS) Method and enhanced Raman Scattering (SERS) Method and Instrumentation for Genomics and Biomedical AnalysisInstrumentation for Genomics and Biomedical Analysis


SurfaceSurface--enhanced Raman Scattering (SERS) Method and enhanced Raman Scattering (SERS) Method and Instrumentation for Genomics and Biomedical AnalysisInstrumentation 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)


ApplicabilityApplicability of of surfacesurface--enhancedenhanced resonanceresonance Raman scatteringRaman scatteringforfor the direct the direct discriminationdiscrimination of of ballpointballpoint penpen inksinks

Handbook of Raman Spectroscopy (pag.747), edited by Ian R. Lewis and Howell G.M. Edwards, Marcel Dekker


ApplicabilityApplicability of of surfacesurface--enhancedenhanced resonanceresonance Raman scatteringRaman scatteringforfor the direct the direct discriminationdiscrimination of of ballpointballpoint penpen inksinks

Reza M. Seifar, Jannes M. Verheul, Freek Ariese, Udo A. Th. Brinkman and Cees Gooijer, Analyst, 2001, 126, 1418


SENSORI SERS IN SENSORI SERS IN FIBRA OTTICAFIBRA OTTICA

Sensori SERS in fibra otticaSensori SERS in fibra ottica

Vantaggi del SERS + Vantaggi dei sensori in fibra ottica

- Possibilità di effettuare misure a distanza e in ambienti non direttamente accessibili

- Possibilità di utilizzo con spettrometriRaman portatili per misure in-situ

- Focus free configuration (nel nostro caso)

- Intensificazione del segnale Raman didiversi ordini di grandezza

- Selettività molecolare e ricchezza diinformazioni dello spettro

- Quenching della fluorescenza(in alcuni casi)


Sistema per la rilevazione remota di sostanze Sistema per la rilevazione remota di sostanze SERS attiveSERS attive

- Substrato SERS attivo esterno alla fibra ottica- Utilizzo di 2 fibre ottiche

SPETTROMETRO RAMAN

- Substrato SERS attivo sulla fibra ottica- Configurazione “optrode” (unica fibra ottica)

SPETTROMETRO RAMAN


Evoluzione della geometria del sensore SERSEvoluzione della geometria del sensore SERS

cladding

core

Rivestimentodi argento

Le riflessioni multiple in prossimità del film di argento rendono possibile la rilevazione di eventuali molecole SERS attive alla superficie del film

C. Viets, W. Hill ; Journal of Molecular Structure 563-564, 163 (2001)

C. Viets and W. Hill ; Sens. Actuators B 51, 92 (1998)

C. Viets, W. Hill ; J. Raman Spectrosc. 31, 625 (2000)


EtchingEtching statico mediante HF e un solvente organicostatico 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)


Realizzazione del substrato SERS attivoRealizzazione del substrato SERS attivo

cladding

core

Rivestimentodi argento

1 mm

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


1) Aumentato numero di riflessioni interne2) Maggiore superficie SERS attiva

Sensore SERS in fibra ottica a geometria ottimizzataSensore SERS in fibra ottica a geometria ottimizzata

CORE CLADDING FILM DI ARGENTO

500 μmαcono

d

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 000422Titolo: Sonda ottica per la rivelazione di molecole SERS attive e procedimento per la sua fabbricazione

Patent: PCT/IB2006/000543Title: Optical probe for detecting SERS-active molecules and process for its manufacture


Preparazione della terminazione del sensore :Preparazione della terminazione del sensore :etchingetching statico in due statico in due stepstep

- Immersione della fibra in HF ricoperto da uno strato di solvente organico

- Formazione di un menisco la cui altezza decresce al diminuire del diametrodella 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


Immobilizzazione di nanoparticelle di argentoImmobilizzazione di nanoparticelle di argento


LASERLUCE DIFFUSA DALLE MOLECOLE == INFORMAZIONI SULLE VIBRAZIONIE SUL TIPO DI MOLECOLA

500 μm

NANOPARTICELLE DI ARGENTO

MOLECOLE DA RILEVARE

Sensore SERS in fibra ottica a geometria ottimizzataSensore SERS in fibra ottica a geometria ottimizzata

1 μm

AFMAFM


SEGNALE

FIBRA

Ram

an in

tens

ity

SOTTRAZIONE

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

Wavenumbers (cm-1)

ModalitModalitàà di utilizzo del sensoredi utilizzo del sensore

Esempio: Crystal Violet

Limite di rilevazione raggiunto : 0.02 ppb


RhodamineRhodamine 6G6G

SEGNALE

FIBRA

Ram

an in

tens

ity(a

.u.)

SOTTRAZIONE

1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Wavenumbers (cm-1)

Limite di rilevazione raggiunto : 0.2 ppb


Misura con sensoreimmerso

Misura Dip & Dry

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

ModalitModalitàà di utilizzo del sensoredi utilizzo del sensore

A. Lucotti, A. Pesapane, G. Zerbi, Applied spectroscopy, 61 (2007) 260-268


Segnale misurato vs. tempo di immersioneSegnale 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.



La riutilizzabilità del sensore è legata alla possibilità di ripristino dello stesso fino al segnale del bianco tramite un’operazione di lavaggio

Si nota una decrescita del segnale causata da una degradazione graduale del substrato dovuta principalmente al distaccamento di nanoparticelle

Dopo 10 lavaggi : segnale immerso 69% segnale inizialesegnale Dip&Dry 65% segnale iniziale

RiutilizzabilitRiutilizzabilitàà

• Immersione del sensore e acquisizionedella misura

• Estrazione e acquisizione della misuraDip&Dry

• Lavaggio in acido perclorico o solforicoa pH 1÷2 e asciugatura in aria

• Lavaggio in H2O



Preparazione del substrato SERS del sensorePreparazione del substrato SERS del sensore

substrato di nanoparticelle di argento immobilizzate

substrato di nanoparticelledi argento disperse

in PVA (Polyvinyl Alcohol)

1) Immersione del sensore qualche secondo

2) Asciugatura in aria3 minuti


Sensore con substrato SERS di NP disperse in PVASensore con substrato SERS di NP disperse in PVACon 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 dimisura (15 secondi)

• Estrazione e acquisizione della misuraDip&Dry (3 minuti)

• Immersione in acido nitrico (1 minuto) ein H2O (1 minuto)(con agitazione)

• Rideposizione del film di PVA contenentenanoparticelle di argento (3 minuti)


Limiti di Limiti di rilevabilitrilevabilitàà

CV = Crystal Violet IM = misura con sensore immerso LOD = Limit Of Detection D&D = misura Dip & Dry

Tipo di substrato SERS utilizzato

LOD del CV(*) Tecnica di misuraNP immobilizzate 0.02 ppb D&D

NP immobilizzate 0.1 ppb IM

PVA 0.2 ppb D&DCon NaCl aggiunto in soluzione

NP immobilizzate 0.002ppb D&DNP immobilizzate 0.002ppb IM

(*) 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 performanticome quelli portatili.


Applicazioni (in fase di sviluppo)Applicazioni (in fase di sviluppo)

Scienze forensi, analisi ambientale e

alimentare

Biologia e Biogenetica(SERS labels for gene detection)

Sofisticazione alimentare(European Food Safety Authority)

report del 2005 RhodamineB

Itticoltura e mangimi animali(Food & Drug Administration)

MG e CV


4 P Presentazione2007

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