表面增强拉曼光谱仪

80年代初，中国就开始了表面增强拉曼(SERS)的相关研究工作。近几年越来越多的课题组踏入这个领域，几乎呈指数增长。据悉，仅就&ldquo 表面增强&rdquo 一个关键词搜索，每年发表的相关学术论文已经达到2000多篇。 　　在SERS的研究领域，有很大一部分人是做材料合成的，他们的论文通常只是证明合成的材料有表面增强拉曼的性质，然后很多就此打住，转战新的材料 但是有一部分人却执着耕耘在SERS体系的方法和机理的研究，厦门大学的任斌教授就是这其中的一位。 　　2014年7月29日，在HORIBA拉曼学院活动中，任斌教授的报告从原理、实验方法到应用等各方面给大家呈现了SERS和针尖增强拉曼光谱(TERS)的发展历史和最新技术进展。虽然在这个领域，任斌教授的课题组已经是引领者之一，但是他依然对每一个报告都认真地聆听、学习，为学术的探讨而&ldquo 刨根问底&rdquo &hellip &hellip 　　2014年中国化学会第29届学术年会，任斌教授8月4日深夜抵京， 8月5日上午接连赶作两场报告，笔者亲眼见到他背着电脑赶到会议室，站在后排等着做报告。一场报告之后，收拾起背包，又赶到下一个会场&hellip &hellip 甚至嗓子都哑了，下午还要主持会议，接着晚上还要离京赶去参加在德国举行的国际拉曼光谱大会。如此的敬业精神让笔者为之感叹! 　　尽管行程如此繁忙，会议间隙，任斌教授还是抽时间接受了仪器信息网编辑的专访。虽然采访时间有限，但是任斌教授传递给我们的是一份科研者的严谨和执着。 厦门大学任斌教授 　　我国SERS领域的研究&ldquo 持续升温&rdquo 　　1928年，印度物理学家拉曼(Raman)首次在实验中观察到拉曼散射光，并因此荣获了1930年的诺贝尔物理学奖。虽然在1928年到1945年之间，拉曼光谱在物质结构的研究中发挥了重要的作用，但信号弱这个与生俱来的缺点在很大程度上限制了其在各方面的应用。直到，1974年，Fleischmann 等人第一次在吡啶吸附的粗糙银电极上观察到SERS信号。由于表面增强效应可以使拉曼强度增大几个数量级，提供了极高的表面检测灵敏度，为人们刻画了很好的应用前景，在国际上很快就掀起了SERS研究的热潮。 　　据任斌教授介绍，80年代初，SERS发展的初期，中国就已经有科学家开始SERS的工作。比如，当时物理所的张鹏翔老师、苏州大学的顾仁敖老师等，其中顾仁敖老师还专程去纽约学习SERS的相关知识。 　　1987年，田中群老师回国之后，在厦门大学开始电化学体系和过渡金属体系的SERS研究。 　　从物理所出来的老师分散到全国各地，推动了全国不同地域的SERS研究 从田中群老师课题组，吉林大学的赵冰和徐蔚青老师课题组毕业或进修后的研究人员，推动了国内的SERS研究，形成了今天规模，并在国际上占据了重要的一席之地。 　　从SERS研究人员的领域分布来看，物理领域的研究者开始日益减少，而化学和生物医学方面的SERS应用研究的人员比例则在不断增加。厦门大学、吉林大学、苏州大学、中科院物理所等成为该领域具有重要影响力的单位。 　　任斌教授介绍到，&ldquo 近年，国际上从事SERS研究的人员几乎呈指数增长。今年只是以&lsquo 表面增强&rsquo 的关键词去搜索，一年已经有2000多篇文章，这已经是一个非常大的研究领域了。&rdquo 　　据介绍，国内外都有一些重要的学术会议为SERS人员提供了重要的交流平台。比如两年一次的全国光散射学术会议和国际拉曼光谱大会，SERS都是其中最大的分会。四川大学将主办2015年的全国光散射学术会议，今年的国际拉曼大会(ICORS)已经在德国耶拿召开，规模将达到900多人。任斌教授将专程前往参加。 　　SERS研究的&ldquo 热点&rdquo 不等于&ldquo 关键点&rdquo 　　近年来，SERS领域的研究&ldquo 如火如荼&rdquo 。任斌教授说，现在SERS领域最重要的研究方向是SERS基底的制备。从最初的电化学粗糙/沉淀、真空沉淀方法，到纳米粒子的合成。随着纳米科学的发展，人们可以精巧的控制纳米结构的组成、形状、大小，并能有序的对其进行组装。得益于此，利用SERS人们获得了单分子的检测灵敏度，取得了突破性的进展。最近，壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)的研究进一步拓宽了SERS的应用领域。同样利用表面等离激元增强原理的针尖增强拉曼光谱(TERS)技术因其高空间分辨率也得到了迅猛的发展。这些进展进一步推动了SERS技术在基础研究和工业应用领域的广泛应用。 　　SERS的另外一个研究热点是在高灵敏分析中的应用，涉及其在食品安全、环境、公共卫生等领域的分析应用研究。 　　不过，&ldquo 热点不等于关键点，&rdquo 任斌教授说，&ldquo SERS研究的关键在于如何通过对机理和机制的研究，发展方法，提高其重现性、可靠性。&rdquo 据介绍，在光散射专业委员会的组织下，每年在国内都召开一次小规模的SERS研讨会，专门讨论SERS领域存在的挑战性和亟待解决的关键问题。 　　&ldquo 从我个人理解，我认为SERS用于定量分析还有很远的路需要走，因为还没有什么技术可以保证SERS定量分析的可靠性。现在确实有些报道表明在一个很小的浓度范围内可以获得不错的线性相关系数，但要解决定量问题，必须严格按照分析方法的标准程序去做。要成为标准方法需要进行各方面的验证，比如不同的样品、不同批次的同类样品、不同的体系、有无干扰的情况下是否都可以得到可靠的结果。否则，研究工作只能停留于文章，难以得到实际应用。&rdquo 　　&ldquo 定量分析，一直是SERS领域一个挑战。谁要真正解决了定量的问题，他也就发财了。&rdquo 任斌教授开玩笑地说。 　　接着他分析到，&ldquo 纳米材料不同位点的增强效应不同，粒子靠近，耦合和增强效应就强，反之就弱。因此，SERS的定量分析首要的挑战是解决增强基底的均一性和可靠性。&rdquo 　　&ldquo 另外还有一个关键问题是检测方法的选择性。如果没有优异的选择性，无法应用于实际复杂的体系。拉曼得到的是分子自身的指纹信息，所有的接近SERS基底的分子都被增强。正因如此，在复杂体系中也将获得大量相互干扰的信息，甚至于受其他分子竞争吸附的影响，无法获得待测分子的信号。因此，必须发展方法，只让待测物质富集到表面进而被检测到。&rdquo 　　除此之外，还有一个&ldquo 有效期&rdquo 的问题，任斌教授说，&ldquo 如果合成的增强试剂放置一段时间就&lsquo 变质&rsquo 了，再高再均一的增强衬底都没有意义。&rdquo 　　&ldquo 对于基底制备及其&lsquo 有效期&rsquo ，目前还没有任何标准，标准委这边也还处在让大家提建议的阶段。&rdquo 　　显然SERS领域还存在不少问题，但是也正是因为如此，说明这个学科充满活力，还有很多事情可以做。&ldquo 如果解决了以上的问题，SERS将来会非常有用，可以说原来荧光能用的领域，SERS基本都可以用。&rdquo 任斌教授说。 　　SERS基底的产业化很难 　　国外已经有商品化的SERS基底和增强试剂，而国内这方面还有一定的距离。虽然很多课题组都在研究SERS在不同领域的应用，但是绝大多仅限于实验室研究阶段，是针对某一个样品在某一个特定条件或者环境下的使用。 　　据任斌教授介绍，2011年起，为了促进等离激元增强拉曼光谱(PERS)的应用，田中群院士领衔的仪器研发及应用项目所研发的壳层隔离纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)粒子已经在销售。从文献中，虽然看到国内个别单位声称已经获得很好的增强衬底，但是目前还没有看到很好的实际应用实例和产品。 　　对于国内SERS基底的产业化，任斌教授说&ldquo 挑战仍在&rdquo ，接着他分析了原因： 　　&ldquo 目前商品化的SERS基底虽然均一性较好，但增强效应普遍较弱，不能发挥SERS独特的优势。另外，使SERS基底对目标检测物具有极高的选择性是考察SERS基底的一个重要的指标。&rdquo 据悉，目前PERS项目组，已经在对SHINERS粒子进行功能化的修饰，已经进入实际样品分析阶段，但也还未到产业化阶段。 　　&ldquo SERS基底产业化的难度在于基底不同位点间增强效应的差别可以达几个数量级，这就要求SERS基底的产业化制备过程中能够实现均匀性的高度可控。目前还没有一个完美的方法可以获得高增强效应均匀性的衬底，这仍是SERS领域的挑战性的课题，目前仍有不少的人在努力。&rdquo 　　手持式拉曼光谱仪的未来命运与SERS基底&ldquo 休戚相关&rdquo 　　拉曼光谱仪曾经是科研实验室中的高端仪器，其价格也曾经&ldquo 高不可及&rdquo 。目前，单波长的共聚焦显微拉曼光谱仪器的价格已经降到了百万元以内，也已经在科研机构、分析检测中心和重要的企业得到了广泛的应用，但是离真正的普及还有一定的距离。手持式拉曼光谱仪由于其使用方便，价格便宜而受到不少单位的青睐，特别在公安、海关、考古等单位得到实际应用。在HORIBA拉曼学院中很多老师介绍了便携式拉曼仪器的应用以及未来的发展。 　　&ldquo 手持式拉曼未来市场巨大，&rdquo 任斌教授介绍到，&ldquo 手持式拉曼仪器的灵敏度远低于大型共聚焦拉曼仪器。因此，便携仪器应用通常局限于一些纯样品的检测，对于浓度较低的样品的检测还比较困难。目前的应用领域也比较局限，如毒品检测等。而对于很多涉及国计民生的浓度比较低的复杂样品的检测，如果没有SERS增强效应几乎是不可能完成。我相信，随着针对便携仪器的SERS应用方法的发展，手持式拉曼光谱仪将迎来其&lsquo 春天&rsquo 。&rdquo 　　如此看来，手持式拉曼光谱仪未来的应用前景与SERS的进展&ldquo 休戚相关&rdquo 。任斌表示，手持式仪器的技术门槛较低，国内与国外的研发水平差别已经很小了，最终应用将决定于增强源，没有增强源这台仪器几乎就&ldquo 废&rdquo 了。 采访编辑：叶建 　　任斌教授个人简历 　　厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室副主任(2010-) 　　福建省闽江学者特聘教授(2009-) 　　厦门大学教授 (2004-) 　　德国 Fritz-Haber 研究所，洪堡学者，访问学者 (2002-2003，2004) 　　美国纽约市立大学化学系访问学者(1997-1998) 　　厦门大学博士(1998) 　　厦门大学学士(1992) 　　研究兴趣 　　针尖增强拉曼光谱 表面增强拉曼光谱、应用和理论 等离激元光子学，纳米光学 拉曼和电化学技术在生物体系中的应用 界面电化学和光谱电化学。 　　课题组最新的研究进展 　　1. Label-free detection of native proteins by surface-enhanced Raman spectroscopy using iodide-modified nanoparticles. Li-Jia Xu, Cheng Zong, Xiao-Shan Zheng, Pei Hu, Jia-Min Feng and Bin Ren*, Anal. Chem., 2014,86(4), 2238&ndash 2245. 　　2. Activation of oxygen on gold and silver nanoparticles assisted by surface plasmon resonances. Yi-Fan Huang, Meng Zhang, Liu-Bin Zhao, Jia-Min Feng, De-Yin Wu*, Bin Ren* and Zhong-Qun Tian, Angew. Chem. Int. Ed, 2014,53(9), 2353&ndash 2357. 　　3. Probing the location of hot spots by surface-enhanced Raman spectroscopy: toward uniform substrates. Xiang Wang, Mao-Hua Li, Ling-Yan Meng, Kai-Qiang Lin, Jia-Min Feng, Teng-Xiang Huang, Zhi-Lin Yang* and Bin Ren*, ACS Nano, 2014,8(1) 528&ndash 536. 　　4. Revealing the molecular structure of single-molecule junctions in different conductance states by fishing-mode tip-enhanced Raman spectroscopy. Zheng Liu, Song-Yuan Ding, Zhao-Bin Chen, Xiang Wang, Jing-Hua Tian, Jason R. Anema, Xiao-Shun Zhou, De-Yin Wu, Bing-Wei Mao, Xin Xu, Bin Ren* and Zhong-Qun Tian, Nature Commun, 2011,2, 305.

2017年12月5日–9日，由厦门大学主办的 “表面增强拉曼光谱国际会议(International Conference on Surface-Enhanced Raman Spectroscopy)” 在厦门大学科学艺术中心成功召开。本次大会由厦门大学李剑锋教授任主席，中科院、厦门大学田中群院士任荣誉主席，旨在讨论过去40多年SERS在实验与理论方面的发展及其应用，以加强同行之间的交流与合作，推动SERS的持续发展与创新。会议共吸引国内外逾200位SERS研究工作者及15家拉曼仪器厂商参与。表面增强拉曼光谱国际会议 (SERS-2017)　　本次会议设置大会报告、主题报告、邀请包括、口头报告及墙报展等多个环节，议题涵盖SERS的机理及其在电化学、生物与生命科学、痕量检测与分析、食品安全、环境保护、催化、能源、材料等领域的应用，等离激元，TERS，SHINERS，荧光及其它光谱多个类别，全方位展示国内外SERS研究成果。　　大会邀请SERS领域先驱与权威Richard P. Van Duyne、Martin Moskovits、Andreas Otto以及相关学科的顶级学者Peter G. Bruce、Stefan A. Maier、Jürgen Popp等作大会报告，同时设立优秀墙报奖。据悉，下一届表面增强拉曼光谱国际会议将于2018年8月26-31日在韩国济州岛召开。　　作为分子光谱领域最活跃的仪器类别之一，近两年拉曼光谱仪器市场竞争日益激烈，经粗略估算，截至目前已有近50家仪器厂商抢滩登陆该市场。受食品、药品等终端市场需求拉动，今年拉曼光谱仪器厂商普遍反映增长可观，其中便携/手持拉曼表现的尤其突出。会上，仪器厂商们也盛情展出了最新技术与仪器，并与到场用户展开面对面细致交流。　　以下是现场企业图片(按拼音排序)：奥谱天成必达泰克Chroma Technology大川光学岛津复享光学昊量光电HORIBA雷尼绍neaspec GmbH普识纳米如海光电赛默飞世尔WITec卓立汉光

现阶段，贩毒手段花样百出，毒贩们把The drug进行多层伪装，意图骗过检查而谋取暴利，The drug的快速检测对于推断The drug来源、抑制The drug传播和打击The drug犯罪都起着重要作用。公安以及海关缉毒等部门通常采用先快速筛查、再确证的方法查毒，也就是先用试剂盒或试纸条等快速判断The drug是否存在,然后用气相色谱-质谱联用技术进行最终的确认。试剂盒或试纸条一般基于胶体金免疫层析技术，具有简便和低成本优势，但是受限检测环境温度和人为操作的影响，干扰因素多，检测准确性低。而且对于混合物检测效果不明显，毒贩会在The drug中添加一些稀释剂（如葡萄糖、淀粉等）和一些掺假剂（如咖啡因、非那西汀等），这些掺入的成分分子量较大，分子极性强，它们与The drug构成的混合物会进明显干扰试剂盒或试纸条的可靠性，以至于对于浓度稍低的The drug混合物，试剂盒或试纸条经常出现假阳性或测不出结果。色谱、质谱等方法则操作复杂，耗材昂贵，检测时间长，不适合现场快速检测环节。厦门赛纳斯科技有限公司的革新技术（表面增强拉曼光谱技术）在The drug现场快速检测方面有着明显的优势。拉曼光谱作为分子振动光谱技术的一种，可以高灵敏度分析化学物质的结构和组成。其突出优点是可以实现非接触性和无损性检测；所需样品量很少，也无需进行复杂预处理，检测速度也很快，操作也简便；结合表面SERS增强技术，拉曼可以对The drug实现高灵敏度的探测。厦门赛纳斯手持式拉曼光谱仪SHINS-P1000，它采用1064nm激光光源，具有抗荧光干扰强，灵敏度高等卓越的光谱性能，轻巧便携的体积，采用革新技术（表面增强拉曼光谱技术）能够百万倍地增强痕量物中的拉曼信号，一键采集，无需接触样品，支持自建谱库，同时配有齐全的谱图库和强大的分析软件，几十秒内快速给出检验结果，现场执法拍照取证，智能辅助，并支持多种数据传输和数据管理，实现功能性与用户需求完美合一，为执法部门进行The drug快筛提供了一个很好的新工具。鉴于低纯度The drug的检测更具有实际意义，我们将海洛因、阿法甲基硫代芬太尼待测The drug稀释到100ppm，将样品滴在增强拉曼芯片上，使用厦门赛纳斯手持式拉曼光谱仪SHINS-P1000拉曼设备使用进行检测。下图展示了The drug检测结果由上图可以看出，这两种The drug均有丰富的拉曼特征位移峰，并且拉曼峰的信噪比较高，各种The drug的特征峰峰位相互间均有较大差异，比较容易区分出来。经过sers增强后，样品检测下限很低，并且检测时间可以控制在三十秒以内。测试过程中样品处理过程简单，这非常有助于现场快速筛查。