每秒成像800000次!拉曼光谱新技术性能优异 引关注

2019-09-25

  表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced RamanSpectroscopy, SERS)通常把待测分子吸附在金或者银纳米结构表面,然后利用激光照射纳米结构时产生的局域等离激元(或者称为hot spot)来激发并增强吸附分子的拉曼信号,精度可以达到单分子水平,在生物医学、环境探测方面有很大的应用潜力。

  SERS的强度取决于hot spot的电场强度,后者又取决于纳米结构之间的距离。经过多年的发展,纳米制备技术已经实现了约1 nm制造精度的超强hot spot,从而实现了可以产生重复和稳定的SERS信号的衬底。

SHINERS(壳层隔绝增强拉曼光谱技术)

参考文献:Li, J. F. et al. Shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy. Nature, 2010, 464, 392–395.

  然而,单分子SERS实验经常会观察到信号闪烁(blinking):SERS谱无论在图谱还是峰强上都不稳定。例如,沉积在玻璃衬底上的银纳米粒子对,粒子之间的距离是不会改变的,从而hot spot的强度和电场分布也不会改变;但是吸附在粒子对hot spot里的单个分子发出的SERS信号却随时间变化。对于这种单分子信号闪烁的现象,目前有多种机理解释:

  1)分子在粒子表面的吸附和脱吸,这在溶液中容易出现;

  2)分子在粒子表面扩散移动;

  3)分子和粒子表面产生电荷或者电子交换;

  4)粒子表面原子扩散从而导致高度局域的hot spot移动。

  这些机理发生在不同的时间尺度,不容易通过现有实验手段全部观察得到。现有文献集中在前3种机理,特别是由Katherine Willets研究小组提出的第2种机理,通过超分辨拉曼显微镜得到详尽研究并大量报道。

  最近,加拿大维多利亚大学Alexandre Brolo研究小组应用最新的Airyscan光电管探测器,实现了7nm的空间分辨率和每秒800,000幅成像(1.25微秒)的时间分辨率,得以观察到单分子SERS过程中金属粒子表面原子扩散行为。文章发表于最近一期的Nature Nanotechnology。

图片.png

  如此前所未有的高分辨率仪器是这篇文章的一大亮点和技术突破。现有的拉曼光谱仪大多采用反射光栅来将拉曼信号展开为光谱,然后通过CCD或者CMOS来采集光谱。光栅展开会损耗拉曼光子,而CCD则只有毫秒级的读取时间,因此这两者组成的常规光谱仪限制了采集速度。

  该文章中的仪器的光路中(图1e),拉曼信号并没有通过光谱仪采集,而是通过不同的滤镜组合把入射光滤掉、并限制1150 -1450 cm-1的拉曼信号进入微秒级读取速度的Airyscan光电管(photomultiplier tube)探测器。在机理研究实验设置方面,Lindquist等人采用的是SiO2 (core)-Ag (shell)纳米粒子,这种纳米壳层(nanoshell)粒子能够通过单个粒子就实现单分子SERS。待测分子通过-SH在纳米粒子表面形成单分子层(图1b),杜绝了分子在粒子表面扩散移动的可能性。

图片.png

图片.png

图1. 实验设置

  实验是对着沉积在玻璃衬底上的单个粒子(图1c)持续采谱得到时间分辨的拉曼光强(图2a),并通过光电管的光强分布通过SERS 强度函数(SIF)模拟出信号的中心(图2c)。实验表明,即使对于被强硫键锚定在粒子表面的单分子,SERS信号中心仍然以平均5 nm/68 μS的速度在移动!

图片.png

图2. 采谱结果

  在通过不同波长激光激发排除了电荷转移的可能性后,Lindquist 等人将衬底在不同温度(0、10、20、50°C)下、或者使用不同的激发光强(50、100 µW)采谱。发现信号出现的概率与温度的关系符合阿伦尼乌兹方程(图3虚线),并类推出在100 µW激光激发下的粒子表面温度达到150°C,该温度对应的能量差不多等于银原子重构所需能量的两倍。

  由此,Lindquist 等人推断SERS信号中心的移动来自粒子表面的银原子重构导致高度局域的hotspot移动。Lindquist等人随后用原子动力学模拟该了重构过程(图4)。

图片.png

图3. 不同温度下的SERS信号出现概率

图片.png

图4. 分子动力学模拟表面原子重构

  总之,这篇文章介绍了世界上首个观察到表面原子移动的实验,但是文章能发表在Nat. Nano.,核心在于仪器而不是机理。在我看来,分析有不少漏洞存在,从头到尾只有通过调光强和调较窄范围中的温度来验证其“原子重构”理论,得到结论的过程并不严谨。如果文章投到JACS或者PRL这类低调严肃的顶刊,很可能会顶不住审稿人的问题而拒稿的。

  在拉曼光谱领域里,图谱分辨率和采谱速度是难以兼备的,归根结底是受制于量子力学上的不确定原理。这篇文章其实是牺牲了图谱分辨率来达到了采集速度上的优异,因为仪器性能上的出色而被Nat.Nano.采用。

在线咨询
联系电话