Tip-enhanced Raman microscopy: practicalities and limitations

The feasibility of apertureless scanning near-field Raman microscopy, exploiting the local enhancement in Raman scattering in the vicinity of a silver or gold tip, was investigated. Using the finite difference time domain method we calculated the enhancement of electric field strength, and hence Raman scattering, achieved through the resonant excitation of local modes in the tip. By modelling the frequency-dependent dielectric response of the metal tip we were able to highlight the resonant nature of the tip-enhancement and determine the excitation wavelength required for the strongest electric field enhancement, and hence Raman scattering intensity, which occurs for the excitation of modes localized at the tip apex. It is demonstrated that a peak Raman enhancement of 10(7)-fold should be achievable with <5 nm spatial resolution. We show that surface-enhanced Raman scattering from carbon contamination on a silver or gold tip can be significant. However, we find for a tip of radius of curvature 20 nm that the Raman enhancement should decay totally within 20 nm from the tip. Hence withdrawal of the tip by this distance should lead to the disappearance of the tip-enhanced signal, leaving only that from carbon contamination on the tip itself and the intrinsic signal from the sample. Copyright (C) 2003 John Wiley Sons, Ltd.

Better understanding of mechanochemical reactions: Raman monitoring reveals surprisingly simple 'pseudo-fluid' model for a ball milling reaction

Quantitative monitoring of a mechanochemical reaction by Raman spectroscopy leads to a surprisingly straightforward second-order kinetic model in which the rate is determined simply by the frequency of reactive collisions between reactant particles.

The feasibility of using near infrared and Raman spectroscopic techniques to detect fraudulent adulteration of chili powders with Sudan dye

Chili powder is a globally traded commodity which has been found to be adulterated with Sudan dyes from 2003 onwards. In this study, chili powders were adulterated with varying quantities of Sudan I dye (0.1-5%) and spectra were generated using near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) and Raman
spectroscopy (on a spectrometer with a sample compartment modified as part of the study). Chemometrics were applied to the spectral data to produce quantitative and qualitative calibration models and prediction statistics. For the quantitative models coefficients of determination (R2) were found to be
0.891-0.994 depending on which spectral data (NIRS/Raman) was processed, the mathematical algorithm used and the data pre-processing applied. The corresponding values for the root mean square error of calibration (RMSEC) and root mean square error of prediction (RMSEP) were found to be 0.208-0.851%
and 0.141-0.831% respectively, once again depending on the spectral data and the chemometric treatment applied to the data. Indications are that the NIR spectroscopy based models are superior to the models produced from Raman spectral data based on a comparison of the values of the chemometric
parameters. The limit of detection (LOD) based on analysis of 20 blank chili powders against each calibration model gave 0.25% and 0.88% for the NIR and Raman data, respectively. In addition, adopting a qualitative approach with the spectral data and applying PCA or PLS-DA, it was possible to discriminate
between adulterated chili powders from non-adulterated chili powders.

Arbuscular mycorrhizal fungi confer enhanced arsenate resistance on Holcus lanatus

The role of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) in arsenate resistance in arbuscular mycorrhizal associations is investigated here for two Glomus spp. isolated from the arsenate-resistant grass Holcus lanatus. Glomus mosseae and Glomus caledonium were isolated from H. lanatus growing on an arsenic-contaminated mine-spoil soil. The arsenate resistance of spores was compared with nonmine isolates using a germination assay. Short-term arsenate influx into roots and long-term plant accumulation of arsenic by plants were also investigated in uninfected arsenate resistant and nonresistant plants and in plants infected with mine and nonmine AMF. Mine AMF isolates were arsenate resistant compared with nonmine isolates. Resistant and nonresistant G. mosseae both suppressed high-affinity arsenate/phosphate transport into the roots of both resistant and nonresistant H. lanatus. Resistant AMF colonization of resistant H. lanatus growing in contaminated mine spoil reduced arsenate uptake by the host. We conclude that AMF have evolved arsenate resistance, and conferred enhanced resistance on H. lanatus.

Raman spectra of SiC nanorods with different excitation wavelengths

With increasing excitation wavelength from 514 to 782 nm, a significant difference in the Raman spectra of SiC nanorods was observed as compared to bulk material. The intensity ratio of the LO mode to that of the IF mode increases with the excitation wavelength increasing. This has been identified as resonant Raman scattering caused by Fröhlich interaction.

Comparative Raman Study of Carbon Nanotubes Prepared by D.C. Arc Discharge and Catalytic Methods

The Raman spectra of carbon nanotubes prepared by catalytic (C-CNT) and d.c. arc discharge (D-CNT) methods are reported. A previously unnoticed third-order Raman peak at ca. 4248 cm-1 was observed in the Raman spectrum of D-CNT. The Raman features of D-CNT and C-CNT are similar to those of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and active carbon, respectively. The data also suggest that the increase in disorder in D-CNT compared with HOPG is due to structural defects in D-CNT. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.

Infrared and Raman screening of seized novel psychoactive substances: A large scale study of >200 samples

The potential of IR absorption and Raman spectroscopy for rapid identification of novel psychoactive substances (NPS) has been tested using a set of 221 unsorted seized samples suspected of containing NPS. Both IR and Raman spectra showed large variation between the different sub-classifications of NPS and smaller, but still distinguishable, differences between closely related compounds within the same class. In initial tests, screening the samples using spectral searching against a limited reference library allowed only 41% of the samples to be fully identified. The limiting factor in the identification was the large number of active compounds in the seized samples for which no reference vibrational data were available in the libraries rather than poor spectral quality. Therefore, when 33 of these compounds were independently identified by NMR and mass spectrometry and their spectra used to extend the libraries, the percentage of samples identified by IR and Raman screening alone increased to 76%, with only 7% of samples having no identifiable constituents. This study, which is the largest of its type ever carried out, therefore demonstrates that this approach of detecting non-matching samples and then identifying them using standard analytical methods has considerable potential in NPS screening since it allows rapid identification of the constituents of the majority of street quality samples. Only one complete feedback cycle was carried out in this study but there is clearly the potential to carry out continuous identification/updating when this system is used in operational settings.

Label-free human chorionic gonadotropin detection at picogram levels using oriented antibodies bound to graphene screen-printed electrodes

Human chorionic gonadotropin (hCG) is a key diagnostic marker of pregnancy and an important biomarker for cancers in the prostate, ovaries and bladder and therefore of great importance in diagnosis. For this purpose, a new immunosensor of screen-printed electrodes (SPEs) is presented here. The device was fabricated by introducing a polyaniline (PANI) conductive layer, via in situ electropolymerization of aniline, onto a screen-printed graphene support. The PANI-coated graphene acts as the working electrode of a three terminal electrochemical sensor. The working electrode is functionalised with anti-hCG, by means of a simple process that enabled oriented antibody binding to the PANI layer. The antibody was attached to PANI following activation of the –COOH group at the Fc terminal. Functionalisation of the electrode was analysed and optimized using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Chemical modification of the surface was characterised using Fourier transform infrared, and Raman spectroscopy with confocal microscopy. The graphene–SPE–PANI devices displayed linear responses to hCG in EIS assays from 0.001 to 50 ng mL−1 in real urine, with a detection limit of 0.286 pg mL−1. High selectivity was observed with respect to the presence of the constituent components of urine (urea, creatinine, magnesium chloride, calcium chloride, sodium dihydrogen phosphate, ammonium chloride, potassium sulphate and sodium chloride) at their normal levels, with a negligible sensor response to these chemicals. Successful detection of hCG was also achieved in spiked samples of real urine from a pregnant woman. The immunosensor developed is a promising tool for point-of-care detection of hCG, due to its excellent detection capability, simplicity of fabrication, low-cost, high sensitivity and selectivity.

Kr-Ar laser Raman spectrometer for low temperature measurements /

A Czerny Mount double monochromator is used to measure Raman scattered radiation near 90" from a crystalline, Silicon sample. Incident light is provided by a mixed gas Kr-Ar laser, operating at 5145 A. The double monochromator is calibrated to true wavelength by comparison of Kr and Ar emission Une positions (A) to grating position (A) display [1]. The relationship was found to be hnear and can be described by, y = 1.219873a; - 1209.32, (1) where y is true wavelength (A) and xis grating position display (A). The Raman emission spectra are collected via C"*""*" encoded software, which displays a mV signal from a Photodetector and allows stepping control of the gratings via an A/D interface. [2] The software collection parameters, detector temperature and optics are optimised to yield the best quality spectra. The inclusion of a cryostat allows for temperatmre dependent capabihty ranging from 4 K to w 350 K. Silicon Stokes temperatm-e dependent Raman spectra, generally show agreement with Uterature results [3] in their frequency haxdening, FWHM reduction and intensity increase as temperature is reduced. Tests reveal that a re-alignment of the double monochromator is necessary before spectral resolution can approach literature standard. This has not yet been carried out due to time constraints.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Spectroscopie Raman de complexes de fer(II) et fer(III) à transition de spin

Les transitions de spin provoquent des changements de propriétés physiques des complexes de métaux du bloc d les subissant, notamment de leur structure et propriétés spectroscopiques. Ce mémoire porte sur la spectroscopie Raman de composés du fer(II) et du fer(III), pour lesquels on induit une transition de spin par variation de la température ou de la pression. Trois complexes de fer(II) de type FeN4(NCS)2 avec des comportements de transition de spin différents ont été étudiés : Fe(Phen)2(NCS)2 (Phen : 1,10-Phénanthroline), Fe(Btz)2(NCS)2 (Btz : 2,2’-bi-4,5-dihydrothiazine) et Fe(pyridine)4(NCS)2. Un décalage de l’ordre de 50 cm-1 est observable pour la fréquence d’étirement C-N du ligand thiocyanate des complexes FeN4(NCS)2, lors de la transition de spin induite par variation de la température ou de la pression. Il est possible d’utiliser cette variation de fréquence afin de tracer un profil de transition. Quatre complexes isomères de type FeL222(CN)2 (L222 : 2,13- diméthyl-6,9-dioxa-3,12,18-triazabicyclo[12.3.1]-octadéca-1(18),2,12,14,16-pentaène) ont également été étudiés. Un taux de décalage de l’ordre d’environ 0,03 cm-1/K est observé pour plusieurs bandes du complexe FeL222(CN)2. La bande à 1415 cm-1 disparaît à plus haute température au profit d’une bande à 1400 cm-1. Pour le complexe de chiralité R,R’, les bandes à 1008 cm-1 et 1140 cm-1 se déplacent vers des fréquences plus élevées à partir de 223 K. Les transitions de spin sont observées dans certains complexes de fer(III). Dans cette famille de composés, le complexe Fe(EtDTC)3 (EtDTC : N,N-diéthyldithiocarbamate) a été étudié . Aucun changement n’a été observé dans l’intensité des bandes d’étirement fer-soufre sur les spectres à température variable. Cependant, la bande Fe-S associée à la forme bas-spin à 530 cm-1 augmente en intensité au profit de la bande associée à la forme haut-spin à 350 cm-1 lors des mesures à haute pression, passant d’un rapport d’amplitude de 50% à pression ambiante à 80% à 21 kbar. Un dédoublement de la bande d’étirement C-N du ligand dithiocarbamate à 1495 cm-1 est également observé à des pressions supérieures à 5 kbar. Une comparaison des changements des fréquences de vibration de tous les complexes est effectuée.

Détection de protéines par diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS)

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire.

Multipole modes and spin features in the Raman spectrum of nanoscopic quantum rings

We present a systematic study of ground state and spectroscopic properties of many-electron nanoscopic quantum rings. Addition energies at zero magnetic field (B) and electrochemical potentials as a function of B are given for a ring hosting up to 24 electrons. We find discontinuities in the excitation energies of multipole spin and charge density modes, and a coupling between the charge and spin density responses that allow to identify the formation of ferromagnetic ground states in narrow magnetic field regions. These effects can be observed in Raman experiments, and are related to the fractional Aharonov-Bohm oscillations of the energy and of the persistent current in the ring

Raman and FTIR studies of the structural aspects of Nasicon-type crystals; AFeTi(PO4)3 [A ¼ Ca, Cd]

Raman and FTIR spectra of CaFeTi(PO4)3 and CdFeTi(PO4)3 are recorded and analyzed. The observed bands are assigned in terms of vibrations of TiO6 octahedra and PO4 tetrahedra. The symmetry of TiO6 octrahedra and PO4 tetrahedra is lowered from their free ion symmetry. The presence of Fe3+ ion disrupts the Ti–O–P–O–Ti chain and leads to the distortion of TiO6 octrahedra and PO4 tetrahedra. The PO4 3 tetrahedra in both crystals are linearly distorted. The covalency bonding factor of PO4 3 polyanion of both the crystals are calculated from the Raman spectra and compared to that of other Nasicon-type systems. The numerical values of covalency bonding factor indicates that there is a reduction in redox energy and cell voltage and is attributed to strong covalency of PO4 3 polyanionin