Surface-enhanced Raman scattering (SERS) based on surface plasmon resonance coupling techniques

Abstract

Surface plasmon resonance (SPR) can provide a remarkably enhanced electromagetic field around metal surface. It is one of the enhancement models for explaining surface-enhanced Raman scattering (SERS) phonomenon. With the development of SERS theories and techniques, more and more studies referred to the configurations of the optical devices for coupling the excitation and radiation of SERS, including the prism-coupling, waveguide-coupling, and grating-coupling modes. In this review, we will summarize the recent experimental improvements on the surface plasmon-coupled SERS.

Keywords

surface-enhanced Raman scattering (SERS) / electromagnetic field / surface plasmon resonance (SPR) / metal film / grating

References

[1] Fleischmann, M.; Hendra, P. J.; McQuilla, A. J., Chem. Phys. Lett.1974, 26, 163-166

[2] Chang, R. K.; Furtak, T. E., eds., Surface-Enhanced Raman Scattering, Plenum Press, New York, 1982.

[3] Jeanmaire, D. L.; Van Duyne, P. R., J. Electroanal. Chem.1977, 84, 1-20

[4] Kerker, M., ed., Selected Papers on Surface-Enhanced Raman Scattering, SPIE, Bellingham, WA, 1990.

[5] Kneipp, K.; Kneipp, H.; Itzkan, I.; Dasari, R. R.; Feld, M. S., Chem. Rev.1999, 99, 2957-2976

[6] Schatz, G. C.; Van Duyne, P. R., Handbook of Vibrational Spectroscopy Vol. 1: Electromagnetic Mechanism of Surface-Enhanced Spectroscopy, Chalmers, J. M., Griffiths, P. R., (Eds); John Wiley & Sons Ltd., Chichester, U.K.,2002, pp759-774

[7] Kneipp, K.; Moskovits, M.; Kneipp, H., eds., Surface-Enhanced Raman Scattering- Physics and Applications, Springer, Heidelberg and Berlin, 2006

[8] Graham, D.; Goodacre, R., Chem. Soc. Rev.2008, 37, 883-884

[9] Aroca, R., ed., Surface-Enhanced Vibrational Spectroscopy, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, UK, 2006, pp. 141-176

[10] Nie, S.; Emory, S. R., Science1997, 275, 1102-1106

[11] Kneipp, K.; Wang, Y.; Kneipp, H.; Perelman, L. T.; Ltzkan, I.; Dasari, R. R.; Feld, M. S., Phys. Rev. Lett.1997, 78, 1667-1670

[12] Xu, H. X.; Bjerneld, E. J.; Käll, M.; Börjesson, L., Phys. Rev. Lett.1999, 83, 4357-4360

[13] Ekgasit, S.; Thammacharoen, C.; Yu, F.; Knoll, W., Anal. Chem.2004, 76, 2210-2219

[14] Brolo, A. G.; Kwok, S. C.; Moffitt, M. G.; Gordon, R.; Riordon, J.; Kavanagh, K. L., J. Am. Chem. Soc.2005, 127, 14936-14941

[15] Lakowicz, J. R.; Ray, K.; Chowdhury, M.; Szmacinski, H.; Fu, Y.; Zhang, J.; Nowaczyk, K., Analyst (Lond.)2008, 133, 1308-1346

[16] Hatta, A.; Ohshima, T.; Suetaka, W., Appl. Phys., A Mater. Sci. Process.1982, 29, 71-75

[17] Ebbesen, T. W.; Lezec, H. J.; Ghaemi, H. F.; Thio, T.; Wolff, P. A., Nature1998, 391, 667-669

[18] Xu, H. X.; Aizpurua, J.; Käll, M.; Apell, P., Phys. Rev. E Stat. Phys. Plasmas Fluids Relat. Interdiscip. Topics2000, 62, 4318-4324

[19] Johansson, P.; Xu, H. X.; Käll, M., Phys. Rev. B2005, 72, 035427

[20] Moskovits, M., Rev. Mod. Phys.1985, 57, 783-826

[21] Schatz, G. C.; Young, M. A.; Van Duyne, R. P., Topics in Applied Physics103, 19-45

[22] Yoshida, K.; Itoh, T.; Tamaru, H.; Biju, V.; Ishikawa, M.; Ozaki, Y., Phys. Rev. B2010, 81, 115406

[23] Itoh, T.; Hashimoto, K.; Ikehata, A.; Ozaki, Y., Appl. Phys. Lett.2003, 83, 5557-5559

[24] Itoh, T.; Hashimoto, K.; Ozaki, Y., Appl. Phys. Lett.2003, 83, 2274-2276

[25] McFarland, A. D.; Young, M. A.; Dieringer, J. A.; Van Duyne, R. P., J. Phys. Chem. B2005, 109, 11279-11285

[26] Bouhelier, A.; Wiederrecht, G. P., Opt. Lett. 2005, 30, 884-886

[27] Shegai, T.; Brian, B.; Miljković, V. D.; Käll, M., ACS Nano2011, 5, 2036-2041

[28] Kosemura, D.; Ogura, A., Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 212106

[29] Hayazawa, N.; Saito, Y.; Kawata, S., Appl. Phys. Lett.2004, 85, 6239

[30] Ren, B.; Picardi, G.; Pettinger, B.; Schuster, R.; Ertl, G., Angew. Chem. Int. Ed.2005, 44, 139-142

[31] Liu, Z.; Ding, S. Y.; Chen, Z. B.; Wang, X.; Tian, J. H.; Anema, J. R.; Zhou, X. S.; Wu, D. Y.; Mao, B. W.; Xu, X.; Ren, B.; Tian, Z. Q., Nature Commun.2011, 2, 305

[32] Hansen, W. N., J. Opt. Soc. Am.1968, 58, 380-390

[33] Ekgasit, S.; Thammacharoen, C.; Knoll, W., Anal. Chem. 2004, 76, 561-568

[34] Dornhaus, R.; Benner, R. E.; Chang, R. K.; Chabay, I., Surf. Sci.1980, 101, 367-373

[35] Giergiel, J.; Reed, C. E.; Hemminger, J. C.; Ushioda, S., J. Phys. Chem.1988, 92, 5357-5365

[36] Yih, J. N.; Chen, S. J.; Huang, K. T.; Su, Y. T.; Lin, G. Y., Proc. SPIE2004, 5327, 5-9

[37] Liu, Y.; Xu, S. P.; Tang, B.; Wang, Y.; Zhou, J.; Zheng, X. L.; Zhao, B.; Xu, W. Q., Rev. Sci. Instrum.2010, 81, 036105

[38] Hu, W. P.; Chen, S. J.; Yih, J. N.; Lin, G. Y.; Chang, G. L., Proc. SPIE2004, 5327, 88-94

[39] Chiu, K. C.; Yu, L. Y.; Yih, J. N.; Chen, S. J., Proc. SPIE2007, 6450, 64500R

[40] Giergiel, J.; Reed, C. E.; Hemminger, J. C.; Ushioda, S., J. Phys. Chem.1988, 92, 5357-5365

[41] Kocabas, A.; Ertas, G.; Senlik, S. S.; Aydinli, A., Opt. Express2008, 17, 12469-12477

[42] Zhou, Q.; Li, X. W.; Fan, Q.; Zhang, X. X.; Zheng, J. W., Angew. Chem. Int. Ed.2006, 45, 3970-3973

[43] Orendorff, C. J.; Gole, A.; Sau, T. K.; Murphy, C. J., Anal. Chem. 2005, 77, 3261-3266

[44] Daniels, J. K.; Chumanov, G., J. Phys. Chem. B2005, 109, 17936-17942

[45] Kim, K.; Yoon, J. K., J. Phys. Chem. B2005, 109, 20731-20736

[46] Liu, Y.; Xu, S. P.; Li, H. B.; Jian, X. G.; Xu, W. Q., Chem. Commun. (Camb.)2011, 47, 3784-3786

[47] Sarid, D., Phys. Rev. Lett.1981, 47, 1927-1930

[48] Craig, A. E.; Olson, G. A.; Sarid, D., Opt. Lett.1983, 8, 380-382

[49] Matsubara, K.; Kawata, S.; Minami, S., Opt. Lett.1990, 15, 75-77

[50] Yang, F.; Bradberry, G. W.; Sambles, J. R., Phys. Rev. Lett.1991, 66, 2030-2032

[51] Kessler, M. A.; Hall, E. A. H., Thin Solid Films1996, 272, 161-169

[52] Lyndin, N. M.; Salakhutdinov, I. F.; Sychugov, V. A.; Usievich, B. A.; Pudonin, F. A.; Parriaux, O., Sens. Actuators B Chem.1999, 54, 37-42

[53] Toyama, S.; Doumae, N.; Shoji, A.; Ikariyama, Y., Sens. Actuators B Chem.2000, 65, 32-34

[54] Nenninger, G. G.; Tobiska, P.; Homola, J.; Yee, S. S., Sens. Actuators B Chem. 2001, 74, 145-151

[55] Liu, Y.; Xu, S. P.; Xuan, X. Y.; Zhao, B.; Xu, W. Q., J. Phys. Chem. Lett 2011, 2, 2218-2222

[56] Futamata, M., Appl. Opt.1997, 36, 364-375

[57] Futamata, M.; Borthen, P.; Thomassen, J.; Schumacher, D.; Otto, A., Appl. Spectrosc.1994, 48, 252-260

[58] Futamata, M., Langmuir1995, 11, 3894-3901

[59] Meyer, S. A.; Le Ru, E. C.; Etchegoin, P. G., Anal. Chem. 2011, 83, 2337-2344

[60] Itoh, T.; Yoshida, K.; Biju, V.; Kikkawa, Y.; Ishikawa, M.; Ozaki, Y., Phys. Rev. B 2007, 76, 085405

[61] Laurent, G.; Félidj, N.; Truong, S. L.; Aubard, J.; Lévi, G.; Krenn, J. R.; Hohenau, A.; Leitner, A.; Aussenegg, F. R., Nano Lett.2005, 5, 253-258

[62] Dong, B.; Zhang, W.; Li, Z. P.; Sun, M. T., Plasmonics2011, 6, 189-193

[63] Xu, W. Q.; Xu, S. P.; Hu, B.; Wang, K. X.; Zhao, B.; Xie, Y. T.; Fan, Y. G., Chem. Res. Chin. Univ.2004, 1, 144-147

[64] Mullen, K. I.; Carron, K. T., Anal. Chem.1991, 63, 2196-2199

[65] Viets, C.; Hill, W., Sens. Actuators B Chem.1998, 51, 92-99.

[66] Stokes, D. L.; Chi, Z.; Vo-Dinh, T., Appl. Spectrosc.2004, 58, 292-298

[67] Polwart, E.; Keir, R. L.; Davidson, C. M.; Smith, W. E.; Sadler, D. A., Appl. Spectrosc.2000, 54, 522-527

[68] Zheng, X. L.; Guo, D. W.; Shao, Y. L.; Jia, S. J.; Xu, S. P.; Zhao, B.; Xu, W. Q.; Corredor, C.; Lombardi, J. R., Langmuir2008, 24, 4394-4398

[69] Smythe, E. J.; Dickey, M. D.; Bao, J.; Whitesides, G. M.; Capasso, F., Nano Lett.2009, 9, 1132-1138

[70] Tian, M.; Lu, P.; Schülzgen, A.; Peyghambarian, N.; Liu, D., Opt. Commun.2011, 284, 2061-2064

[71] Lucotti, A.; Zerbi, G., Sens. Actuators B Chem.2007, 121, 356-364

[72] Kostrewa, S.; Hill, W.; Klockow, D., Sens. Actuators B Chem.1998, 51, 292-297

[73] Viets, C.; Hill, W., J. Raman. Spectrosc.2000, 31, 625-631

[74] Zhang, Y.; Gu, C.; Schwartzberg, A. M.; Zhang, J. Z., Appl. Phys. Lett.2005, 87, 123105

[75] Xu, W. Q.; Xu, S. P.; Lu, Z. C.; Chen, L.; Zhao, B.; Ozaki, Y., Appl. Spectrosc. 2004, 58, 414-419

[76] Yan, H.; Gu, C.; Yang, C. X.; Liu, J.; Jin, G. F.; Zhang, J. T.; Hou, L. T.; Yao, Y., Appl. Phys. Lett.2006, 89, 204101

[77] Amezcua-Correa, A.; Yang, J.; Finlayson, C. E.; Peacock, A. C.; Hayes, J. R.; Sazio, P. J. A.; Baumberg, J. J.; Howdle, S. M., Adv. Funct. Mater.2007, 17, 2024-2030

[78] Yan, H.; Liu, J.; Yang, C. X.; Jin, G. F.; Gu, C.; Hou, L. T., Opt. Express2008, 16, 8300-8305

[79] Baumberg, J. J.; Kelf, T. A.; Sugawara, Y.; Cintra, S.; Abdelsalam, M. E.; Bartlett, P. N.; Russell, A. E., Nano Lett.2005, 5, 2262-2267

[80] Sanda, P. N.; Warlaumont, J. M.; Demuth, J. E.; Tsang, J. C.; Christmann, K.; Bradley, J. A., Phys. Rev. Lett.1980, 45, 1519-1523

[81] Otto, A., Appl. Surf. Sci.1980, 6, 309-355

[82] Liao, P. F.; Bergman, J. G.; Chemla, D. S.; Wokaun, A.; Melagailis, J.; Hawryluk, A. M.; Economou, N. P., Chem. Phys. Lett.1981, 82, 355-359

[83] Kahl, M.; Voges, E., Phys. Rev. B2000, 61, 14078-14088

[84] Du, L.; Zhang, X.; Mei, T.; Yuan, X., Opt. Express2010, 18, 1959-1965

[85] Kocabas, A.; Ertas, G.; Senlik, S. S.; Aydinli, A., Opt. Express2008, 16, 12469-12477

[86] Chan, C. Y.; Xu, J. B.; Waye, M. Y.; Ong, H. C., Appl. Phys. Lett.2010, 96, 033104

[87] Hu, W. F.; Zou, S. L., J. Phys. Chem. C2011, 115, 4523-4532

[88] Bouhelier, A.; Wiederrecht, G. P., Opt. Lett.2005, , 30, 884-886

[89] Dantham, V. R.; Bisht, P. B.; Namboodiri, C. K. R., J. Appl. Phys.2011, 109, 103103

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg