表面增强拉曼散射技术在化学分析中的应用研究

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SERS现象

由于拉曼信号本质上很弱且常常受到其它信号的干扰和削弱，科学家们不断探索使拉曼信号更强和更容易检测的方法。表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering，简称SERS）就是其中一种，它利用了具有等离子体性质的纳米结构的光学特性，使得位于等离子体金属纳米结构附近的目标分子的拉曼信号显著增强。SERS技术提高了拉曼光谱的灵敏度，通过增强拉曼散射和荧光猝灭（消除荧光背景）,可以将拉曼信号提高近1010-15倍，等离子体纳米材料的极高灵敏度、分子特异性以及拉曼光谱的协同作用使SERS成为一种灵敏、快速、无损、强大的分析技术。由于其超高灵敏度和选择性，SERS在表面和界面化学、催化、纳米技术、生物学、生物医学、食品科学、环境分析等领域有着广泛的应用。

基本上，SERS分析吸附在特制金属表面上的分子。这种金属表面应具有等离子性能：在金属与介电材料（如空气）的界面上，激光的入射光与金属的自由电子相互作用，产生共振相互作用，产生电子的振荡密度波，称为等离子体。

SERS现象的产生需要满足以下两个条件:

(1) SERS活性基底。通常情况下，采用具有粗糙结构的Au、 Ag等贵金属纳米材料或TiO2、Cu20和MoS2 等半导体材料作为增强基底；

(2) 基底与探针分子间的距离非常小，一般小于 10 nm。

SERS增强机制

自1974年发现SERS现象以来，其增强机制至今还尚未明确统一，存在不少争议。目前，电磁增强机制（EM）和化学增强机制（CM）是研究者较为认可的两种增强机制。其中EM对整个SERS增强效应起主导作用，EF增强因子可达105 - 106倍，而来自CM的贡献仅有10 - 103倍。电磁增强有两个方面的贡献：局部场增强和再辐射增强。电磁增强与分子类型无关，而依赖于基底及其粗糙度。化学增强机制也被称为电荷转移增强机制，主要源于探针分子与基底间的电荷转移引起分子的电子结构的改变，促进分子极化率的提高，从而增大拉曼散射信号。其增强能力取决于分析物自身的电子特性，通过诱导偶极子使分子的极化率增大，因此，化学增强机制比电磁场增强机制的贡献小很多。

SERS的应用

单分子检测：SERS技术可以实现超低浓度溶液和超薄薄膜中的分子检测，最近在表面科学，分析化学，纳米技术等领域引起广泛关注。

化学及工业：表面增强拉曼光谱是研究电极化学界面结构、吸附、反应的一种重要谱学工具，作为一种灵敏度很高的表征手段，SERS因为能直接研究物质在胶体上的吸附行为而得到广泛的应用。

生物、医学体系：SERS作为一种增强拉曼光谱技术，在研究生物分子的结构和构象方面发挥着重要作用，大量的研究人员利用SERS解决了生物化学，生物物理和分子生物学中的许多问题，包括提供分子的特殊基团与界面的相互作用、生物分子与金属的键合方式等等。基于SERS的生物测定法可以诊断癌症、心血管疾病和传染病等。

纳米材料：SERS可以避开本体覆盖层的干扰，直接对聚合物、金属界面的结构进行高灵敏度和专一性的检测，找出聚合物分子在金属表面的去向以及几何形态，扩展聚合物在金属防腐中的应用，弄清金属粘接以及集合物在表面的光化学反应等。

联用技术与传感器：SERS的高灵敏高分辨率使得它在传感方面有强大优势和潜力。可以作为色谱及流动注射分析的检测手段，在进行成分分离同时还可以进行各组成分的指纹鉴定，对于天然有机物、违禁药物等分析有重要意义。

作者：雷力，常雪，王扬斌
作者单位：四川大学原子与分子物理研究所

雷力，四川大学原子与分子物理研究所研究员，博士生导师，主要开展高压谱学研究。现任中文核心期刊《光散射学报》常务副主编、编辑部主任，《高压物理学报》编委，中国物理学会光散射专业委员会委员，中国化学学会高压化学专业委员会委员。进一步了解可百度/必应搜索关键词：“广义压强”、“熊猫氮”，“高压耦联”、“高压乐队”。

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