天美讲堂丨拉曼信号“赋能”--表面增强拉曼散射（SERS技术）

2022-10-24 17:53:39, 天美

SERS技术简介

表面增强拉曼散射(SERS)是一种信号增强技术，用于增强弱拉曼散射信号。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）。SERS可以将拉曼信号提高近10^10-15倍，可以运用拉曼光谱进行单分子分析。

图1展示了使用表面增强拉曼散射(SERS)可以获得的增强效果。0.1mM的4-硝基噻吩添加和不添加金纳米粒子的光谱图，显示了纳米粒子产生的拉曼散射信号增强效果。

图1 利用RM5显微拉曼测试含和不含金纳米颗粒的0.1 mM 4-NTP溶液

SERS效应最早是由南安普顿大学的Fleischmann、Hendra和McQuillan于1974年发现的。吡啶吸附在粗化银电极上的拉曼光谱，出乎意料地得到增强；这使人们意识到，用纳米粒子或具有纳米级粗糙度的金属表面使分子靠近(如，吸附)，会增强它们的拉曼散射强度，而这与分子的浓度无关。两个不同的小组分别去证实这些发现，对观察到的现象提出了不同的机理。Jeanmarie和van Duyne提出，观察到的增强效应，是由于金属表面的电化学电场，这一理论通常被称为电磁增强。同一时期，Albretch和Creighton提出，这种增强是由于金属分子复合物的形成，称为化学(或电荷转移)增强。

本文主要讨论使用金属来提供增强，一些研究资料表明非金属材料也有拉曼增强潜力。SERS技术需要一个粗糙的金属表面和正确的激光激发。SERS技术能够反映了拉曼光谱的所有优势，例如，少量样品快速分析，增加拉曼信号强度和灵敏度。信号增强效果，在很大程度上取决于SERS基底的光学特性、激光激发的特性、样品及其拉曼测试截面。

由于金属-分子相互作用，SERS光谱可能与正常的拉曼光谱有较大的差异。增强的振动带将是那些最接近金属表面的振动带。这导致获得的光谱重复性差，这是阻碍SERS成为样品分析中常用的工具的问题之一。为了获得可重复的光谱，纳米结构需要在整个基底上提供均匀的增强，使纳米粒子功能化，增强关注区域的信号。

SERS效应的机理

SERS效应的确切机制至今仍处于争论中；然而，人们普遍认为电磁增强和化学增强都发挥了作用，其中电磁效应的增强更为显著，如图2。

图2 SERS的电磁增强和化学增强机理

电磁增强是造成SERS效应的主要因素，增强程度可达10¹⁰。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。分子需要放置在距离基底1-10nm处。这意味着，与化学增强理论相比，它是一个远程效应。

化学增强对拉曼增强的影响要小得多，通常为10²-10⁴。增强是由于分子与衬底的相互作用引起分子的极化性的改变，从而改变了拉曼测试截面的振动模式。样品和基底之间的距离起到拉曼增强的作用，这种距离是以光谱线波长为计量单位，是一个短程效应。

SERS基底

任何材料都可以作为SERS基底，只要能在激发波长激发等离子体激元活性。有几个因素影响着基底层的SERS增强。理想的基底应该具有较高的SERS活性，需要优化尺寸、形状和金属粗糙度等。分析物必须有效地吸附在表面上，需要比样品内任何干扰物更高的拉曼截面。如果一个干扰物具有较高的拉曼截面，它将主导拉曼信号。基底应为均匀的（在整个基底上提供均匀的增强），清洁的，具有高稳定性的长保质期。最后，SERS基底应易于生产，成本低。如果关注痕量检测，增强因子是关键，如果对定量分析感兴趣，重复性是SERS测试的关键。

SERS金属基底的选择对增强效果至关重要，金和银是SERS最常用的金属。这是由于它们的化学稳定性以及它们的等离子体共振频率在可见和近红外范围内（拉曼光谱中最常用的激发波长范围）。人们最常选择的金属是金，因为它具有较高的化学稳定性和较低的毒性，而银易于氧化并与大气中的硫化合物发生反应。金在500nm处吸收较强，在常用的532nm激光激发下，银纳米颗粒更受青睐。对其他过渡金属进行了SERS增强效果的测试，如铂和铁，但它们的增强效果远远低于金、银或铜。然而，当在紫外波长范围内使用时，它们显示出更优异的增强效果。

最常见的SERS基底是溶液中的纳米颗粒、固定在固体基板上的纳米颗粒和制备在固体基板上的纳米结构。通过改变纳米颗粒的形状，可以观察到更多的增强，这是由于在边缘和角落存在热点。拉曼信号增强的常见基底形状包括纳米棒、纳米立方体和纳米星，如图3所示。这些形状提供了热点区域，用深绿色表示，起到增强效应。

图3 SERS基底

SERRS

表面增强型共振拉曼散射(SERRS)通过结合共振拉曼光谱技术实现了进一步的增强。在共振拉曼光谱中，选择与样品中电子跃迁的频率接近的激光激发源。共振拉曼光谱可以提供10²-10⁶的增强效应，作为一种技术，它比SERS更容易被理解。

使用具有共振发色团和金属纳米颗粒的样品，可以实现SERRS。SERRS的增强效应大于SERS和共振拉曼的增强效应，与荧光的灵敏度相当（或超过）。增强效应是基于电荷转移共振的化学增强效应。SERRS是一种很好的标记技术，因为它拥有很强的拉曼信号增强效应，淬灭荧光，和发色团信号增强。

结论

SERS和SERRS是两种强大的拉曼信号增强技术，克服了标准条件下拉曼散射弱的缺点，可用于定量和定性分析。增强效应存在的情况下，可以选择使用更低的激光功率，保护样品，和更短的集成时间，加快信号采集速度。SERS/SERRS为在极低浓度下从分析物中获得更多信息提供了可能。SERS/SERRS的应用涉及各个领域，如，用于体外研究的SERS探针，SERS免疫分析，单分子检测，材料分析和DNA检测。SERS探针可用于监测实验，或用于跟踪特定分析物的含量（例如监测葡萄糖浓度）。

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参考文献

1. Fleischmann, M., Hendra, P. J. & McQuillan, A. J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode. Chem. Phys. Lett.(1974) doi:10.1016/0009-2614(74)85388-1.

2.Jeanmaire, D. L. & Van Duyne, R. P. Surface raman spectroelectrochemistry. Part I. Heterocyclic, aromatic, and aliphatic amines adsorbed on the anodized silver electrode. J. Electroanal. Chem.(1977) doi:10.1016/S0022-0728(77)80224-6.

3. Albrecht, M. G. & Creighton, J. A. Anomalously Intense Raman Spectra of Pyridine at a Silver Electrode. J. Am. Chem. Soc. (1977) doi:10.1021/ja00457a071.

4. Langer, J. et al. Present and future of surface-enhanced Raman scattering. ACS Nano 14, 28–117 (2020).

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