Enhanced Raman Scattering of TNT on nanoparticles substrates: Ag, Au and Au/Ag Bimetallic colloids prepared by reduction with sodium citrate and hydroxylamine hydrochloride

Abstract

Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) provides extremely high sensitivity, due to increase in the Raman cross-sections of intrinsically very weak scattering events making these events comparable or even better than photon emission efficiencies found in fluorescence processes. The observation of vibrational spectra of adsorbed species on surfaces by SERS is one of the most incisive analytical methods for chemical and biochemical detection and analysis. The metallic nanoparticles that make SERS possible are of fundamental interest since they possess unique size-dependent properties (optical, electrical, mechanical, chemical, magnetic, etc.). These properties are quite different from the bulk and the atomic state. Bimetallic nanoparticles are of particular interest since they combine the advantages of the individual monometallic counterparts. Metal colloids have become the most commonly used nanostructures for SERS. Gold, silver and Ag/Au bimetallic alloys colloids have been synthesized by chemical reduction methods and have been used for detecting TNT in solution with high sensitivity and high molecular specificity. The study focused on metallic nanoparticles within size range in the 50-100 nm. The nanoparticles were characterized using UV-VIS spectroscopy, Scanning Electron Microscope (SEM), Transmission Electron Microscope (TEM) and Raman Spectroscopy. The detection of TNT was conducted via an indirect method that involved the alkaline hydrolysis of TNT in presence of a strong base (NaOH). This method offers the advantage of generating reaction products that provided enhanced detection in the presence of roughened surfaces (SERS). The detection of TNT degradation products was evaluated on gold, silver and silver/gold bimetallic colloids using excitation wavelengths of 785 and 532 nm. The results revealed an increase in the intensity of the vibrational signals, attributed to the SERS spectra of degradation products that resulted from the alkaline hydrolysis of TNT. Bands associated to NO2 out-of-plane bending modes at ca. 820 and 850 cm-1 and NO2 stretching modes at 1300-1370 cm-1 were detected.

Espectroscopia Raman de señal realzada por superficies (SERS, por sus siglas en inglés) provee alta sensitividad, debido al aumento de área de sección eficaz Raman de esta manera haciendo que procesos de dispersión intrínsecamente muy débiles comparen o sean superiores a eficiencias de emisiones fotónicas encontradas en procesos de fluorescencia. La observación de espectros vibracionales de especies adsorbidas en superficies mediante SERS es uno de los métodos analíticos más incisivos para detección y análisis químico y bioquímico. Nanopartículas metálicas que hacen SERS posible son de especial interés ya que poseen características y propiedades únicas que dependen del tamaño de su tamaño (ópticas, eléctricas, mecánicas, químicas, magnéticas, etc.). Estas propiedades son diferentes del grueso o del estado atómico del material. Las nanopartículas bimetálicas son de especial interés ya que combinan las ventajas de sus contrapartes metálicas individuales. Los coloides metálicos se han convertido en las nanoestructuras de uso general para SERS. Coloides de oro y de plata y de las aleaciones bimetálicas Au-Ag han sido sintetizados por métodos de reduccion química y se han utilizado para detectar TNT en solución con alta sensibilidad y la especificidad molecular. El presente estudio se centra en nanopartículas coloidales con un tamaño que oscila entre 50-100 nanómetros. Las nanopartículas coloidales con caracterizadas utilizando técnicas como Espectroscopia UV-VIS, Microscopio de Rastreo de Electrones (SEM), Microscopio de Transmisión de Electrones (TEM) y Espectroscopia Raman. La detección de TNT se llevó a cabo por un método indirecto que consistió en la hidrólisis alcalina del TNT en presencia de una base fuerte (NaOH). Este método ofrece la ventaja de generar productos de reacción que proveen un alto aumento de la señal Raman gracias a la presencia de superficies rugosas (SERS). La detección de los productos de reacción del TNT fueron evaluados utilizando como soportes coloides de Au, Ag y dopados Au/Ag, usando como longitudes de onda de excitación de 785 y 532 nm. Los resultados se evalúan en el incremento de la señal Raman de los modos vibracionales mas importantes de los productos de egradación de la hidrólisis alcalina del TNT, se observa los modos amplificados de torsión fuera del plano del grupo NO2 a 820 y 850 cm-1 y el modo de estiramiento del NO2 a 1300-1370 cm-1.