28 maart 2019

Raman-spectroscopie vanaf nu veel toegankelijker

Stappenplan voor volgen van chemische reacties

In één klap wordt het voor wetenschappers over de hele wereld mogelijk om de relatie te onderzoeken tussen de structuur en functie van moleculen tijdens een chemische reactie. Scheikundigen van de Universiteit Utrecht en het National Physical Laboratory in het Verenigd Koninkrijk publiceren in Nature Protocols een gedetailleerd protocol voor tip-enhanced Raman-spectroscopie als analytische techniek én beschrijven in een ander tijdschrift een methode om een stabiele naald te produceren voor zulke metingen.

Naresh Kumar promoveerde eind november aan de Universiteit Utrecht op de toepassing van tip-enhanced Raman-spectroscopie (TERS) in de heterogene katalyse. Nu publiceert hij samen met onder meer hoogleraar Bert Weckhuysen en collega’s bij NPL in Nature Protocols in detail de procedure waarmee in situ chemische reacties te volgen zijn. Vrijwel tegelijkertijd verschijnt er in The Journal of Physical Chemistry Letters (JPCL) een methode van Kumar en UU-promovenda Katinka Wondergem voor het maken van stabiele TERS-naalden voor diezelfde vorm van spectroscopie.

“Kookboekrecept”

Volgens Weckhuysen is juist de combinatie van beide nieuwe vondsten belangrijk voor de toekomst van de Raman-spectroscopie. “Het meten van katalytische reacties op nanoschaal is nodig om nieuwe of betere katalysatoren te maken voor het versnellen van chemische reacties, en zo een meer duurzame samenleving mogelijk te maken. Tot nu toe misten veel labs wel één van de handvatten om de techniek volop te benutten. Groepen die de juiste tips hadden, gebruikten weer niet de juiste methode en vice versa. Wij publiceren nu hét kookboekrecept van TERS, en als kers op de taart de manier om een TERS-naald te maken die maanden stabiel is.”

Schematische weergave van een chemische reactie die wordt bekeken met tip-enhanced Raman-spectroscopie (TERS).

Tip-enhanced Raman-spectroscopie werkt zoals de schematische weergave in de afbeelding. Een metalen nanodeeltje (midden) wordt gelokaliseerd met een naald (boven). Een lichtbundel, afkomstig van een laser (linksonder), valt in op het deeltje. Dat resulteert in micro-spectroscopische gegevens over onder meer de reactieproducten (rechtsonder).

Katalytische reacties meten op nanoschaal is nodig om ze te versnellen en een duurzame wereld mogelijk te maken.

Niet-destructief

De afgelopen twee decennia heeft Raman-spectroscopie zich al bewezen, aldus Naresh Kumar. “Het is één van de meest veelbelovende niet-destructieve imaging technieken om de scheikundige reactie van moleculen op nanoschaal te kunnen volgen, in zowel lucht als vloeistof. Bij andere technieken moeten moleculen eerst worden geoormerkt door er bijvoorbeeld een fluorescent label aan te hangen, waarbij onvermijdelijk ingegrepen wordt in het verloop van de chemische reactie. Ons protocol geeft wetenschappers wereldwijd de mogelijkheid om, naast het volgen van chemische reacties, ook betrouwbare analytische data te verzamelen van een breed scala aan functionele materialen, zoals koolstof-nanotubes en de activiteit van moleculen in levende cellen.”

Wetenschappelijke publicaties

Nanoscale chemical imaging using tip-enhanced Raman spectroscopy
Naresh Kumar*, Bert M. Weckhuysen*, Andrew J. Wain, Andrew J. Pollard
Nature Protocols

In situ nanoscale investigation of catalytic reactions in the liquid phase using zirconia-protected tip-enhanced Raman spectroscopy probes
Naresh Kumar*, Caterina S. Wondergem*, Andrew J. Wain, Bert M. Weckhuysen* 
The Journal of Physical Chemistry Letters 2019

*Verbonden aan de Universiteit Utrecht