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.

In-situ Monitoring of Solid Oxide Electrolysis Cells

High temperature co-electrolysis of steam and carbon dioxide using a solid oxide cell (SOC) has been shown to be an efficient route to produce syngas (CO + H-2), which can then be converted to synthetic fuel. Optimization of co-electrolysis requires detailed understanding of the complex reactions, transport processes and degradation mechanisms occurring in the SOC during operation. Thermal imaging, Raman spectroscopy and Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy are being developed to probe in-situ both the reactions occurring during operation and any associated changes within the structure of the electrodes and electrolyte. Here we discuss the challenges in designing experimental apparatus suitable for high temperature operation with optical spectroscopic access to the areas of the SOC that are of interest. In particular, issues with sealing, temperature gradients, signal strength and cell configuration are discussed and final designs are presented. Preliminary results obtained during co-electrolysis operation are also presented.

Tailoring Alphabetical Metamaterials in Optical Frequency: Plasmonic Coupling, Dispersion, and Sensing

Tailoring optical properties of artificial metamaterials, whose optical properties go beyond the limitations of conventional and naturally occurring materials, is of importance in fundamental research and has led to many important applications such as security imaging, invisible cloak, negative refraction, ultrasensitive sensing, transformable and switchable optics. Herein, by precisely controlling the size, symmetry and topology of alphabetical metamaterials with U, S, Y, H, U-bar and V shapes, we have obtained highly tunable optical response covering visible-to-infrared (Vis-NIR) optical frequency. In addition, we show a detailed study on the physical origin of resonance modes, plasmonic coupling, the dispersion of electronic and magnetic surface plasmon polaritons, and the possibility of negative refraction. We have found that all the electronic and magnetic modes follow the dispersion of surface plasmon polaritons thus essentially they are electronic- and magnetic-surface-plasmon-polaritons-like (ESPP-like and MSPP-like) modes resulted from diffraction coupling between localized surface plasmon and freely-propagating light. Based on the fill factor and formula of magnetism permeability, we predict that the alphabetical metamaterials should show the negative refraction capability in visible optical frequency. Furthermore, we have demonstrated the specific ultrasensitive surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) sensing of monolayer molecules and femtomolar food contaminants by tuning their resonance to match the laser wavelength, or by tuning the laser wavelength to match the plasmon resonance of metamaterials. Our tunable alphabetical metamaterials provide a generic platform to study the electromagnetic properties of metamaterials and explore the novel applications in optical frequency.

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.

Use of water in aiding olefin/paraffin (liquid + liquid) extraction via complexation with a silver bis(trifluoromethylsulfonyl)imide salt

This paper describes the extraction of C₅–C₈ linear α-olefins from olefin/paraffin mixtures of the same carbon number via a reversible complexation with a silver salt (silver bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, Ag[Tf₂N]) to form room temperature ionic liquids [Ag(olefin)_x][Tf₂N]. From the experimental (liquid + liquid) equilibrium data for the olefin/paraffin mixtures and Ag[Tf₂N], 1-pentene showed the best separation performance while C₇ and C₈ olefins could only be separated from the corresponding mixtures on addition of water which also improves the selectivity at lower carbon numbers like the C₅ and C₆, for example. Using infrared and Raman spectroscopy of the complex and Ag[Tf₂N] saturated by olefin, the mechanism of the extraction was found to be based on both chemical complexation and the physical solubility of the olefin in the ionic liquid ([Ag(olefin)_x][Tf₂N]). These experiments further support the use of such extraction techniques for the separation of olefins from paraffins.

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.

Híbridos orgânicos-inorgânicos para aplicações de baixo custo em óptica integrada

O objectivo desta tese é a utilização de materiais híbridos orgânicos-inorgânicos, designados por di-ureiasis modificados pela adição de tetra-propóxido de zircónio (Zr(i-OPr)4) estabilizado com ácido metacrílico (CH2=C(CH3)COOH), obtidos pela via sol-gel, para aplicações em dispositivos ópticos integrados de baixo custo. A estrutura local dos di-ureiasis com diferentes concentrações de propóxido de zircónio (20 a 80 % mol) foi estudada por difracção de raios-X, espalhamento de raios X a baixos ângulos, microscopia de força atómica, ressonância magnética nuclear dos núcleos dos átomos de 29Si e 13C, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, espectroscopia de Raman por transformada de Fourier e termogravimetria. A influência dos parâmetros de síntese, concentração de tetra propóxido de zircónio e rácio tetra propóxido de zircónio: ácido metacrilico na estrutura e propriedades das amostras em monólito e filmes finos (depositados pela técnica de deposição por rotação do substrato) foram avaliadas, permitindo obter amostras transparentes, fotopolimerizáveis e estáveis termicamente até aos 100 ºC. Foram determinadas as propriedades dos guias planares em substratos de vidro borosilicato e silício oxidado (1: índice de refracção (1,4774-1,5149 a 1550 nm), espessura (6-10 μm), perdas por propagação (~1,5 dB/cm) e rugosidade (~5,0 nm). Posteriormente o processo de escrita laser directa permitiu a gravação de dispositivos para óptica integrada de que são exemplos: guias de onda em canal com diâmetros modais de 2,5 μm (monomodo) e de 15-20 μm (multimodo) e contraste de valor do índice de refracção de 2x10-3; divisores de potência óptica com geometria em Y com rácios de divisão de ~50:50; filtros ópticos baseados em redes de Bragg com valores de rejeição do sinal óptico de 10 dB (monólitos) e 24 dB (filmes finos); cavidades ópticas do tipo Fabry-Perot com valores de rejeição de ~5 dB e gama espectral livre de 16,5 e 35,5 GHz. A actuação termo-óptica de uma estrutura do tipo Mach-Zhender simétrica conduziu a uma atenuação do sinal óptico de 7,5 dB.

Desenvolvimento de Anticorpos Plásticos para um Biomarcador do Cancro

O trabalho descrito compreende o desenvolvimento de um anticorpo plástico (MIP, do inglês Molecularly Imprinted Polymer) para o antigénio carcinoembrionário (CEA, do inglês Carcinoembriogenic Antigen) e a sua aplicação na construção de dispositivos portáteis, de tamanho reduzido e de baixo custo, tendo em vista a monitorização deste biomarcador do cancro do colo-retal em contexto Point-of-Care (POC). O anticorpo plástico foi obtido por tecnologia de impressão molecular orientada, baseada em eletropolimerização sobre uma superfície condutora de vidro recoberto por FTO. De uma forma geral, o processo foi iniciado pela electropolimerização de anilina sobre o vidro, seguindo-se a ligação por adsorção do biomarcador (CEA) ao filme de polianilina, com ou sem monómeros carregados positivamente (Cloreto de vinilbenziltrimetilamónio, VB). A última fase consistiu na electropolimerização de o-fenilenodiamina (oPD) sobre a superfície, seguindo-se a remoção da proteína por clivagem de ligações peptídicas, com o auxílio de tripsina. A eficiência da impressão do biomarcador CEA no material polimérico foi controlada pela preparação de um material análogo, NIP (do inglês, Non-Imprinted Polymer), no qual nem a proteína nem o monómero VB estavam presentes. Os materiais obtidos foram caracterizados quimicamente por técnicas de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR, do inglês, Fourier Transform Infrared Spectroscopy) e microscopia confocal de Raman. Os materiais sensores preparados foram entretanto incluídos em membranas poliméricas de Poli(cloreto de vinilo) (PVC) plastificado, para construção de sensores (biomiméticos) seletivos a CEA, tendo-se avaliado a resposta analítica em diferentes meios. Obteve-se uma boa resposta potenciométrica em solução tampão de Ácido 4-(2-hidroxietil)piperazina-1-etanosulfónico (HEPES), a pH 4,4, com uma membrana seletiva baseada em MIP preparada com o monómero carregado VB. O limite de deteção foi menor do que 42 pg/mL, observando-se um comportamento linear (versus o logaritmo da concentração) até 625 pg/mL, com um declive aniónico igual a -61,9 mV/década e r2>0,9974. O comportamento analítico dos sensores biomiméticos foi ainda avaliado em urina, tendo em vista a sua aplicação na análise de CEA em urina. Neste caso, o limite de deteção foi menor do que 38 pg/mL, para uma resposta linear até 625 pg/mL, com um declive de -38,4 mV/década e r2> 0,991. De uma forma geral, a aplicação experimental dos sensores biomiméticos evidenciou respostas exatas, sugerindo que os biossensores desenvolvidos prossigam estudos adicionais tendo em vista a sua aplicação em amostras de indivíduos doentes.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

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.

Propriétés des monocouches auto-assemblées du liquide ionique 1-(12-mercaptododécyl)-3-méthylimidazolium

Les propriétés d'une nouvelle classe de chimie de surface basée sur les monocouches auto-assemblées de liquides ioniques (ILs-SAMs), ont été étudiées pour une utilisation dans la construction de biocapteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Les biocapteurs sont utiles pour détecter des biomolécules spécifiques dans une matrice biologique complexe. Cependant, le signal analytique de la biomolécule spécifique peut être masqué par l’adsorption non spécifique de la matrice biologique, produisant une réponse faussement positive. Par ailleurs, l'activité des récepteurs moléculaires est souvent réduite par des techniques d'immobilisation chimique. Ainsi, il est essentiel de déterminer une surface idéale pour la préparation de biocapteurs. Les liquides ioniques sont bien connus pour favoriser l'activité des récepteurs moléculaires et cette étude enquête si cette propriété importante peut se traduire sur des capteurs SPR. Différents liquides ioniques ont été utilisés pour former des monocouches auto-assemblées sur une surface d'or. Les ILs-SAMs sont tous basés sur les sels de mercapto-(chaîne alkyle)nCH2-méthylimidazolium avec différentes chaînes alkyles (n = 3, 6, 9, 12) et différents contre-anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Des études cinétiques de l'adsorption non spécifique de sérum bovin ont été réalisées sur des capteurs SPR avec un instrument construit sur mesure, basé sur l'interrogation des longueurs d’ondes SPR sur un prisme d’inversion d’image (dove). Par la suite, l’anti-IgG de chèvre sélective à l’IgG humain a été utilisé en tant que modèle pour la confection de biocapteurs sur les ILs-SAMs. En solution, il est possible d’effectuer des échanges du contre-anion des liquides ioniques pour un contre-anion de plus en plus hydrophobe. Cependant, l’échange inverse, soit vers des anions de plus en plus hydrophile, s’avère impossible. Toutefois, il a été observé par les travaux présentés dans ce mémoire, que les liquides ioniques immobilisés sur une surface d'or ont la capacité d'échanger leurs contre-anions réversiblement, procurant une méthode simple de moduler leurs propriétés physico-chimiques. Ce phénomène a été observé par la mesure d’angles de contacts et par les techniques spectroscopiques de l’infrarouge moyen (mid-IR), des photoélectrons de rayon-X (XPS) et par la diffusion Raman exaltée par les surfaces (SERS) ii ainsi que par la spectrométrie de masse (MS). La connaissance des propriétés d’échange d’anion est importante pour prédire le comportement de ces surfaces de liquides ioniques dans les tampons et fluides biologiques.

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