Компонент SERS-анализа для спектральной идентификации органических молекул

Компонент SERS-анализа (КСА) представляет собой коллоидный раствор наночастиц серебра, который используется в качестве усиливающей среды при исследовании органических молекул методом рамановской спектроскопии. Продукт применяется для подготовки проб и регистрации усиленного спектрального отклика исследуемого вещества.

В более широком смысле КСА можно отнести к биосенсорам — средствам, позволяющим обнаруживать, а также идентифицировать химические и биологические соединения по измеряемому сигналу. При этом продукт «Спектр-М» представляет собой именно жидкий серебряный коллоид, а не твердую SERS-подложку.

Состав и свойства коллоидного раствора серебра

КСА представляет собой устойчивую водную дисперсию серебра преимущественно околосферической формы. Их размер составляет 5-15 нм для более чем 90% частиц. Массовая доля серебра в растворе — от 5 до 100 мг/л, доля наночастиц металлического серебра — 50-95% от общей массы серебра.

Состав:

• деионизованная вода — 99,99%;
• массовая доля серебра — 5-100 мг/л;
• размер наночастиц — 5-15 нм, суммарная доля — более 90%;
• массовая доля металлического серебра — 50-95% от общей массы серебра.

Коллоиды имеют характерную окраску, оттенок которой зависит в том числе от размеров и состояния частиц. Наночастицы сохраняются в дисперсном состоянии благодаря броуновскому движению и электростатической стабилизации, препятствующей их самопроизвольной агрегации.

Рис.1. Слева: фото стеклянной виалы, наполненной водным коллоидным раствором наночастиц серебра; Справа: сгусток серебряных наночастиц, высушенных из коллоидного раствора. Изображение получено с помощью электронного микроскопа. Указан отрезок длиной 50нм.

Перед тем, как купитьколлоидный раствор серебрадля SERS-анализа, важно учитывать не только концентрацию и размер частиц, но и совместимость усиливающей среды с используемой методикой пробоподготовки и параметрами спектрометра.

Назначение анализа

SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) или гигантское комбинационное рассеяние (ГКР), — это метод усиления рамановского сигнала молекул, находящихся в непосредственной близости от металлических наноструктур.

Под действием лазерного излучения около поверхности наночастиц усиливается локальное электромагнитное поле. Благодаря этому рамановский отклик находящихся рядом молекул становится значительно интенсивнее и его можно зарегистрировать спектрометром.

Особенно выраженный эффект возникает при сближении и агрегации наночастиц. Между ними формируются области сильного локального поля — так называемые hot spots. Управляемую агрегацию можно вызвать добавлением раствора неорганических солей. Поэтому результат измерения зависит не только от характеристик КСА, но также от состава аналита, порядка подготовки пробы, длины волны лазерного возбуждения и параметров рамановского оборудования.

Для такого раствора коллоидного серебра рекомендуется лазерное возбуждение в диапазоне длины волны в 500–540 нм.

Рис.2. Схема детектирования ГКР-спектров органических молекул на поверхности серебрянных наночастиц.

Проведение SERS-анализа

1. Для подготовки пробы 300 мкл коллоидного раствора смешивается с 300 ± 50 мкл аналита. Смесь выдерживается 5-10 минут для взаимодействия молекул исследуемого вещества с поверхностью наночастиц;
2. Затем добавляется 300 мкл буферного раствора. Он инициирует агрегацию серебряных частиц, что сопровождается изменением окраски коллоида. SERS-сигнал можно регистрировать подходящим рамановским спектрометром уже через несколько секунд после добавления буфера;
3. По мере дальнейшей агрегации раствор может приобретать серый оттенок, возможно образование осадка. Распределение агрегатов по высоте емкости при этом становится неоднородным, поэтому меняется и интенсивность регистрируемого сигнала;
4. Наличие полезного сигнала определяют по изменению рамановского спектра. Спектр исходного водного коллоида практически не отличается от спектра воды. После введения аналита и буферного раствора появляются дополнительные узкие пики, характерные для компонентов исследуемой пробы. Их положение позволяет получить информацию о молекулярном составе и использовать спектр для идентификации вещества;
5. Интенсивность отдельных пиков может быть связана с концентрацией аналита, однако на нее также влияют условия адсорбции молекул, степень агрегации наночастиц, состав исследуемой смеси и параметры измерения. 

Рис.3. Примеры спектрограмм чистого водного коллоидного раствора (слева) и с добавлением аналита и буфферного раствора (справа).

КСА и рамановский анализатор

Растворы работают только совместно с рамановским анализатором. Без него составы не востребованы и не имеют значения. Серебряный коллоид выполняет функцию усиливающей среды, а анализатор обеспечивает лазерное возбуждение образца, регистрацию рассеянного излучения и получение спектра. Таким образом, КСА повышает интенсивность спектрального отклика исследуемых молекул, а прибор позволяет обнаруживать характерные пики и проводить их дальнейший анализ.

Поэтому при выборе оборудования для задач, где подразумевается покупка биосенсора, рекомендуем рассматривать не только характеристики самого КСА, но и параметры используемого рамановского анализатора.