Oberflächenverstärkte Infrarotspektroskopie mit resonanten Nanoantennen

Infrarotspektroskopie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das in Forschung und Industrie weit verbreitet ist, um molekulare Spezies label-frei und eindeutig zu identifizieren. Ungünstigerweise wird ihre Anwendung in der spektroskopischen Analyse winziger Mengen von Materialien, zum Beispiel in Sensierungsanwendungen, durch die niedrigen Infrarot-Absorptionsquerschnitte behindert. Die oberflächenverstärkte Infrarotspektroskopie mit resonanten Metall-Nanoantennen, oder kurz "resonante SEIRA", überwinden diese Einschränkung. Resonant angeregt weisen diese Metallnanostrukturen kollektive Oszillationen von Elektronen (Plasmonen) auf, die riesige elektromagnetische Felder im Nanometermaßstab erzeugen. Infrarotvibrationen von Molekülen, die sich in diesen Feldern befinden, werden um Größenordnungen verstärkt, was eine spektroskopische Charakterisierung mit beispielloser Empfindlichkeit ermöglicht. In diesem Review führen wir das Konzept der resonanten SEIRA ein und diskutieren die zugrunde liegende Physik, insbesondere die resonante Kopplung zwischen molekularen und Antennenanregungen sowie die räumliche Ausdehnung der Verstärkung und deren Skalierung mit der Frequenz. Basierend auf diesen Grundlagen werden verschiedene Ansätze zur Maximierung der SEIRA-Verstärkung überprüft, einschließlich der Wahl der Geometrien, Anordnungen und Materialien der Nano-strukturen. Darüber hinaus werden erste Anwendungen wie die Detektion von Proteinen, die Überwachung dynamischer Prozesse und hyperspektrale infrarotchemische Bildgebung diskutiert, die die Empfindlichkeit und breite Anwendbarkeit der resonanten SEIRA demonstrieren.