Spektroskopia Ramana to nieniszcząca, niewymagająca dodatkowych znaczników technika analizy chemicznej, która umożliwia identyfikację materiałów poprzez pomiar sposobu, w jaki rozpraszają one światło laserowe. Rozproszone światło stanowi swoisty „molekularny odcisk palca”, niosąc informację o drganiach aktywnych w spektroskopii Ramana w badanej próbce i umożliwia określenie ich struktury chemicznej oraz składu. Spektroskopia Ramana wzmocniona na ostrzu sondy skanującej (TERS) to zaawansowana, bardzo czuła odmiana, która łączy spektroskopię Ramana z nanotechnologią, umożliwiając mapowanie powierzchni w skali nanometrycznej oraz wizualizację pojedynczych cząsteczek. Obie techniki pozwalają na jednoczesne uzyskiwanie obrazów i widm, dostarczając danych hiperspektralnych.

Niezbędne etapy spektroskopii Ramana obejmują:

1. Oświetlenie laserowe: próbka jest oświetlana monochromatycznym światłem lasera (zazwyczaj zielonym lub czerwonym, 532 nm lub 633 nm w przypadku SPOTLab).

2. Rozpraszanie nieelastyczne (efekt Ramana): większość fotonów ulega rozproszeniu elastycznemu (rozpraszanie Rayleigha), jednak bardzo niewielka część (zazwyczaj <10⁻⁷) ulega rozproszeniu nieelastycznemu.

3. Drgania molekularne: rozpraszanie nieelastyczne zachodzi, gdy światło oddziałuje z wiązaniami molekularnymi, a dokładniej z modami oscylacyjnymi cząsteczki. Powoduje to zmianę energii (a więc i „koloru”) rozproszonego światła, odpowiadającą określonym poziomom energii drgań.

4. Analiza widmowa: detektor (spektrograf sprzężony z czułą kamerą EMCCD) mierzy tę różnicę energii (przesunięcie Ramana), tworząc widmo z pikami odpowiadającymi charakterystycznemu „odciskowi palca” cząsteczek.

Technika TERS przezwycięża ograniczenia czułości i rozdzielczości klasycznej spektroskopii Ramana, które wynikają z dyfrakcji światła. Opisane wcześniej etapy mają zastosowanie również w TERS, z następującymi modyfikacjami:

1. Metaliczne ostrze skanujące (nanoantena): tak samo jak w przypadku mikroskopii ze skanującą sondą (SPM), stosowane jest tu ostrze, zwykle pokryte złotem lub srebrem, umieszczone w ognisku wiązki laserowej.

2. Wzmocnienie plazmoniczne: laser wzbudza plazmony powierzchniowe (oscylacje swobodnych elektronów) na wierzchołku ostrza sondy, co prowadzi do powstania silnie wzmocnionego, zlokalizowanego pola elektrycznego o rozmiarze rzędu kilku nanometrów. To lokalne pole może zwiększyć efektywność rozpraszania, a co za tym idzie, sygnał Ramana cząsteczek znajdujących się bezpośrednio pod ostrzem nawet o 11 rzędów wielkości. Etap detekcji pozostaje taki sam jak w klasycznej spektroskopii Ramana.

3. Rozdzielczość nanometryczna: końcówka skanuje rastrowo powierzchnię próbki, co umożliwia mapowanie chemiczne i analizę spektroskopową z rozdzielczością sięgającą 10 – 20 nm lub lepszą.

Spektroskopia Ramana, wraz z jej odmianą TERS, jest użyteczna w identyfikacji nieznanych substancji, zanieczyszczeń lub polimorfów w ciałach stałych, cieczach i gazach, a także w badaniu jednorodności składu tabletek oraz weryfikacji jakości surowców – nawet gdy znajdują się one w blistrach lub butelkach. Umożliwia mapowanie chemiczne i analizę spektroskopową materiałów węglowych (np. grafenu i nanorurek), polimerów, powłok oraz domieszek w półprzewodnikach. Pozwala również na badanie tkanek, komórek, DNA i białek bez konieczności stosowania barwników czy znaczników (tj. w sposób bezznacznikowy). TERS przenosi wszystkie te możliwości na wyższy poziom, umożliwiając analizę pojedynczych cząsteczek.

LITERATURA I ZASTOSOWANIE NANO-OBRAZOWANIA I -SPEKTROSKOPII W PODCZERWIENI
[1] Polimery
[2] Materiały nieorganiczne
[3] Materiały 2D