La espectroscopía Raman, ahora con resolución de Angstroms

Gracias a la combinación de microscopía de sonda de barrido, espectroscopia láser, y ciencia de superficies, los investigadores han refinado la resolución espacial de la microespectroscopia a niveles de angstrom. El estudio muestra cómo registrar espectros vibracionales de regiones concretas en una única molécula y una técnica para capturar imágenes de los modos de vibración de la molécula (Nature 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1059-9).

La espectroscopia Raman es una poderosa herramienta para explorar las vibraciones moleculares. Se utiliza con fines comerciales en el control de procesado y calidad, y en investigación para estudiar fenómenos moleculares. Pero la señal Raman, que se produce mediante las moléculas de la muestra interactuando con la luz (a menudo luz visible proveniente de láseres) es débil, lo cual limita la sensibilidad del método.

Hace más de 40 años, los científicos descubrieron que las señales Raman podían incrementarse más de un millón de veces al adsorber moléculas de analitos en superficies metálicas rugosas, como plata, con un patrón de afilados puntos microscópicos. Los pinchos metálicos actúan a modo de antena, amplificando el campo electromagnético en regiones de tamaño nanométrico y mejorando la señal.

Encontrar esos “puntos calientes” nanométricos y conseguir que las moléculas se adsorban a ellos es complejo. Pronto, estos investigadores consiguieron un mayor control al utilizar puntas metálicas ultra-afiladas en sondas de microscopía de barrido, para acercar cuidadosamente las antenas a las moléculas. Con la espectroscopía Raman amplificada con punta (TERS, por sus siglas en inglés), los investigadores pueden registrar espectros Raman de moléculas individuales a pocos nanómetros de la punta.

En el nuevo estudio, Joonhee Lee y V. Ara Apkarian de la Universidad de California, Irvine, y sus colaboradores van un paso más allá. Usando tetrafenil-porfirina de cobalto como ejemplo, el equipo demostró que puede utilizarse TERS para registrar espectros únicos de varias regiones dentro de una misma molécula. El espectro diferencia con resolución de angstrom al mover la punta de un punto, por ejemplo al pasar de un anillo fenilo—excitando una vibración C–H específica—a otra parte de la molécula.

“Es un trabajo verdaderamente elegante,” apunta Renee Frontiera, un espectroscopista láser de la Universidad de Minnesota, Mineápolis. Los modos específicos de vibración de una molécula son típicamente inferidos de forma teórica, debido a la limitación en la resolución de imágenes. Sin embargo, el grupo de Apkarian ha descubierto una manera de mapear los modos vibracionales moleculares con una resolución espacial sin precedentes. Y añade: “con este trabajo, ya es posible ver cómo la energía depositada en una región específica de la molécula fluye a través de toda la estructura.”

Eric C. Le Ru, especialista en fenómenos ópticos a escala nanométrica, está también impresionado con el estudio. Señala, sin embargo, que el equipo especializado de vacío y las temperaturas criogénicas utilizados, podrían limitar la aplicabilidad del método. Además, el éxito depende de la fuerte interacción de la porfirina con la superficie de cobre en la que se encuentra anclada. Otras combinaciones de moléculas y superficies pueden no conducir a la misma resolución.

Frontiera está de acuerdo. Y aun así, comenta “espero que estas imágenes aparezcan en el capítulo de espectroscopía vibraciones de los libros de química del futuro.”

Traducido al español por Irene Maluenda para C&EN. La versión original (en inglés) de este artículo está disponible aquí.