Surface-enhanced Raman scattering (SERS) effect deals with the enhancement of the Raman scattering intensity by molecules in the presence of a nanostructured metallic surface. The first observation of surface-enhanced Raman spectra was in 1974, when Fleischmann and his group at the University of Southampton, reported the first high-quality Raman spectra of monolayer-adsorbed pyridine on an electrochemically roughened Ag electrode surface. Over the last thirty years, it has developed into a versatile spectroscopic and analytical technique due to the rapid and explosive progress of nanoscience and nanotechnology. This review article describes the recent development in field of surface-enhanced Raman scattering research, especially fabrication of various SERS active substrates, mechanism of SERS effect and its various applications in both surface sciences and analytical sciences.
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) enables the detection of various types of π-conjugated biological and chemical molecules owing to its exceptional sensitivity in obtaining unique spectra, offering nondestructive classification capabilities for target analytes. Herein, we demonstrate an innovative strategy that provides significant machine learning (ML)-enabled predictive SERS platforms through surface-engineered graphene via complementary hybridization with Au nanoparticles (NPs). The hybridized Au NPs/graphene SERS platforms showed exceptional sensitivity (10-7 M) due to the collaborative strong correlation between the localized electromagnetic effect and the enhanced chemical bonding reactivity. The chemical and physical properties of the demonstrated SERS platform were systematically investigated using microscopy and spectroscopic analysis. Furthermore, an innovative strategy employing ML is proposed to predict various analytes based on a featured Raman spectral database. Using a customized data-preprocessing algorithm, the feature data for ML were extracted from the Raman peak characteristic information, such as intensity, position, and width, from the SERS spectrum data. Additionally, sophisticated evaluations of various types of ML classification models were conducted using k-fold cross-validation (k = 5), showing 99% prediction accuracy.
Micrometer-sized copper (mCu) powders are weakly surface-enhanced Raman scattering (SERS) active by the excitation at 632.8 nm, but nearly ineffective as a SERS substrate at 514.5 nm excitation. The SERS activity of mCu powders at both excitation wavelengths can be increased dramatically by a simple method of the galvanic exchange reaction with AgNO3 in aqueous medium. In this work, the SERS activity of the Ag-exchanged Cu powders (mCu@Ag) has been evaluated by taking a series of Raman spectra using benzenethiol (BT) as the probe molecule. It is clearly confirmed by field emission scanning electron microscopy and X-ray diffractometry that the SERS activity of mCu@Ag powders is, in fact, highly dependent on the extent of galvanic reaction.
The surface enhanced Raman scattering (SERS) of SCN$^{-}$ was investigated in silver sol. The addition of pyridine significantly increased SERS by as large as 70. The role of pyridine was interpreted based on the model of plasma resonance-enhanced Raman scattering.
The surface-enhanced Raman scattering(SERS) of benzylcyanide in a silver sol was investigated. It was concluded that the molecule adsorbed onto the silver surface via the ${\pi}$ system of the CN group. The molecule was assumed to coordinate with either a single atom or two silver atoms. According to the SERS selection rule, the benzene ring of the adsorbed species seemed to assume a flat stance with respect to the silver surface.
Bisphenol A (BPA) is one of the chemicals used in monomer epoxy resins and polycarbonate plastics. The surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) method is precise for identifying biological materials and chemicals at considerably low concentrations. In the present article, the substrates coated with gold nanoparticles have been studied to identify BPA and control the diseases caused by this chemical. Gold nanoparticles were made by a simple chemical method and by applying gold salt and trisodium citrate dihydrate reductant and were coated on glass substrates by a spin-coat approach. Finally, using these SERS substrates as plasmonic sensors and Raman spectroscopy, the Raman signal enhancement of molecular vibrations of BPA was investigated. Then, the molecular vibrations of BPA in some consumer goods were identified by applying SERS substrates as plasmonic sensors and Raman spectroscopy. The fabricated gold nanoparticles are spherical and quasi-spherical nanoparticles that confirm the formation of gold nanoparticles by observing the plasmon resonance peak at 517 nm. Active SERS substrates have been coated with nanoparticles, which improve the Raman signal. The enhancement of the Raman signal is due to the resonance of the surface plasmons of the nanoparticles. Active SERS substrates, gold nanoparticles deposited on a glass substrate, were fabricated for the detection of BPA; a detection limit of 10-9 M and a relative standard deviation (RSD) equal to 4.17% were obtained for ten repeated measurements in the concentration of 10-9 M. Hence, the Raman results indicate that the active SERS substrates, gold nanoparticles for the detection of BPA along with the developed methods, show promising results for SERS-based studies and can lead to the development of microsensors. In Raman spectroscopy, SERS active substrate coated with gold nanoparticles are of interest, which is larger than gold particles due to the resonance of the surface plasmons of gold nanoparticles and the scattering of light from gold particles since the Raman signal amplifies the molecular vibrations of BPA. By decreasing the concentration of BPA deposited on the active SERS substrates, the Raman signal is also weakened due to the reduction of molecular vibrations. By increasing the surface roughness of the active SERS substrates, the Raman signal can be enhanced due to increased light scattering from rough centers, which are the same as the larger particles created throughout the deposition by the spin-coat method, and as a result, they enhance the signal by increasing the scattering of light. Then, the molecular vibrations of BPA were identified in some consumer goods by SERS substrates as plasmonic sensors and Raman spectroscopy.
Since first discovery of strong Raman spectrum of molecules adsorbed on rough noble metal, surface enhanced Raman scattering (SERS) has been widely used for detection of molecules with low concentration. Surface plasmons at noble metal can enhance Raman spectrum and using Au nanostructures as substrates of SERS has advantages due to it has chemical stability and biocompatibility. However, the photoluminescence (PL) background from Au remains a problem because of obtaining molecular vibration information. Recently, graphene, two-dimensional atomic layer of carbon atoms, is also well known as PL quenchers for electronic and vibrational excitation. In this study, we observed SERS of single layer graphene on or under monolayer of Au nanoparticles (NPs). Single layer graphene is grown by chemical vapor deposition and transferred onto or under the monolayer of Au NPs by using PMMA transfer method. Monolayer of Au NPs prepared using Langmuir-Blodgett method on or under graphene surface provides closed and well-packed monolayer of Au NPs. Scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy (WItec, 532 nm) were performed in order to confirm effects of Au NPs on enhanced Raman spectrum. Highly enhanced Raman signal of graphene by Au NPs were observed due to many hot-spots at gap of closed well-packed Au NPs. The results showed that single layer graphene provides larger SERS effects compared to multilayer graphene and the enhancement of the G band was larger than that of 2D band. Moreover, we confirm the appearance of D band in this study that is not clear in normal Raman spectrum. In our study, D band appearance is ascribed to the SERS effect resulted from defects induced graphene on Au NPs. Monolayer film of Au NPs under the graphene provided more highly enhanced graphene Raman signal compared to that on the graphene. The Au NPs-graphene SERS substrate can be possibly applied to biochemical sensing applications requiring highly sensitive and selective assays.
Gu, Geun Hoi;Kim, Min Young;Yoon, Hyeok Jin;Suh, Jung Sang
Bulletin of the Korean Chemical Society
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제35권3호
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pp.725-730
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2014
The effect the diameter of silver nanorod arrays whose distance between the nanorods was uniform at 65 nm have on Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) has been studied by varying the diameter from 28 to 51 nm. Nanorod length was fixed at approximately 62 nm, which is the optimum length for SERS by excitation with a 632.8 nm laser line. The transverse and longitudinal modes of the surface plasmon of these silver nanorods were near 400 and 630 nm, respectively. The extinction of the longitudinal mode increased with increasing nanorod diameter, while the transverse mode did not change significantly. High-quality SERS spectra of p-aminothiophenol and benzenethiol adsorbed on the tips of the silver nanorods were observed by excitation with a 632.8 nm laser line. The SERS enhancement increased with increasing nanorod diameter. We concluded that the SERS enhancement increases when the diameter of silver nanorods is increased mainly by increasing the excitation efficiency of the longitudinal mode. The enhancement factor for the silver nanorods with a 51 nm diameter was approximately $2{\times}10^7$.
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has long been projected as a powerful analytical technique for chemical and biological sensing applications. Pairing with portable Raman spectrometers makes the technique extremely appealing as real-time sensors for field application. However, the lack of reliable, uniform, low cost and ease-of-use SERS enhancement structures has prevented the wide adoption of this technique for general applications. We have discovered a novel hybrid structure based on the high-density and uniform arrays of gold nanofingers over a large surface area for SERS applications. The nanofingers are flexible and their tips can be brought together to trap molecules to mimic the biological system. We report here a rapid, simple, low-cost, and sensitive method of detecting trace level of food contaminants by using nanofinger chips based on portable SERS technique. We also present here the characterization of surface reaction of target molecules with our gold nanofinger substrates and the effect of nanofinger closing towards SERS performance. This new type of nano-structures can potentially revolutionize the medical and biologic research by providing a novel way to capture, localize, manipulate, and interrogate biological molecules with unprecedented capabilities.
This paper reports a methodology for preparing close-packed two dimensional gold nanoprism films and hexagonal nanoplate films at a hexane/water interface. By controlling the concentration of linker molecules in the hexane layer and the temperature of the colloid solution, highly ordered close-packed nanoplate arrays can be fabricated. These films were investigated to compare their corresponding surface enhanced Raman scattering (SERS) efficiencies. It was demonstrated that the Au nanoprism films resulted in a stronger SERS enhancement than the Au hexagonal nanoplate films. The difference in the SERS enhancement is attributed to the film array difference, demonstrating that Au nanoprism films have a higher line contact density than their Au hexagonal analogues.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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