Raman-mikroskopia ja SERS-ilmiö forensisessa materiaalianalytiikassa

Abstract

Tässä Pro gradu -tutkielmassa oli tarkoitus selvittää pintavoimistetun Raman-spektroskopia -ilmiön (SERS) käyttömahdollisuuksia erilaisten forensiikassa tutkittavien materiaalien vertailu- ja materiaalintunnistustutkimuksissa. SERS-ilmiö perustuu pintaplasmoniresonanssi-ilmiöön (SPR) ja sen keskiössä ovat substraatteina toimivat hopea- ja kultananopartikkelit. Työn kirjallisuusosassa käytiin kattavasti läpi Raman-spektroskopiaan ja SERS-menetelmään liittyvät keskeisimmät kokonaisuudet, kuten matemaattinen tausta, häiriöt ja laitteiston rakenne. SERS-menetelmässä tarkasteltiin substraattien, hot spottien ja aggregaation merkitystä ilmiön kannalta. SERS-menetelmän käyttömahdollisuuksia väriaineiden ja räjähdeaineiden tutkimuksissa tarkasteltiin kirjallisuudesta löytyneiden esimerkkien kautta. Työn kokeellisessa osassa, ennen varsinaisia SERS-tutkimuksia, sitraattipelkistettyä hopeakolloidia valmistettiin substraatiksi. Myös kaupallista kultakolloidia kokeiltiin. Nanopartikkeleiden aggregoinnin vaikutusta SERS-ilmiön ilmentymiseen tutkittiin kaliumnitraatin ja natriumkloridin avulla. Hopeakolloidin laatu varmistettiin mittaamalla siitä UV-Vis -spektri ja sen nanopartikkelijakauman kokoa selvitettiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla kuvantamalla. Työhön valittiin näytematriiseiksi väriaineet ja räjähdeaineet. Väriaineiden SERS-tutkimus oli työn pääpainopiste ja näytteiksi valittiin punaiset spray- ja työkalumaalit sekä kuulakärkikynien ja tussien musteet. Räjähdeaineet valittiin, koska niiden forensiset tutkimukset ovat haastavia perinteisillä tutkimusmenetelmillä. Tutkittavaksi räjähdeaineeksi valittiin trinitrotolueeni (TNT) ja selvitettiin, voidaanko SERS-menetelmää hyödyntää räjähdeainejäämien tunnistamisessa laimeasta TNT-liuoksesta. Työssä pystyttiin todistamaan, että SERS-menetelmä toimii ja sitä voidaan hyödyntää edellä mainittujen näytemateriaalien vertailututkimuksissa ja apuna materiaalin tunnistuksessa. SERS-menetelmän toiminta on vahvasti riippuvainen tutkittavan molekyylin rakenteesta, jolloin kaikista tuntemattomista spray- ja työkalumaalinäytteistä ei pystytty mittaamaan SERS-spektriä. Kuulakärkikynien ja musteiden spektrit onnistuttiin mittaamaan SERS:llä. Käsittelemättömästä TNT-liuoksesta ei saatu mitattua hyvää SERS-spektriä, mutta pH 13 -säädetystä liuoksesta saatiin spektri mitattua. SERS-menetelmä soveltui hyvin spray- ja työkalumaalien sekä musteiden mittauksessa. Menetelmän soveltuvuus osoittautui huonoksi TNT:n mittauksessa. Räjähdeaineiden SERS-mittaus vaatii lisää tutkimusta.