天美講堂丨拉曼信號(hào)“賦能”--表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS技術(shù)）

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2022.10.21

SERS技術(shù)簡(jiǎn)介

表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)是一種信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)，用于增強(qiáng)弱拉曼散射信號(hào)。SERS技術(shù)提高了拉曼光譜的靈敏度，通過增強(qiáng)拉曼散射和熒光猝滅（消除熒光背景）。SERS可以將拉曼信號(hào)提高近1010-15倍，可以運(yùn)用拉曼光譜進(jìn)行單分子分析。

圖1展示了使用表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)可以獲得的增強(qiáng)效果。0.1mM的4-硝基噻吩添加和不添加金納米粒子的光譜圖，顯示了納米粒子產(chǎn)生的拉曼散射信號(hào)增強(qiáng)效果。

圖1 利用RM5顯微拉曼測(cè)試含和不含金納米顆粒的0.1 mM 4-NTP溶液

SERS效應(yīng)最早是由南安普頓大學(xué)的Fleischmann、Hendra和McQuillan于1974年發(fā)現(xiàn)的。吡啶吸附在粗化銀電極上的拉曼光譜，出乎意料地得到增強(qiáng)；這使人們意識(shí)到，用納米粒子或具有納米級(jí)粗糙度的金屬表面使分子靠近(如，吸附)，會(huì)增強(qiáng)它們的拉曼散射強(qiáng)度，而這與分子的濃度無關(guān)。兩個(gè)不同的小組分別去證實(shí)這些發(fā)現(xiàn)，對(duì)觀察到的現(xiàn)象提出了不同的機(jī)理。Jeanmarie和van Duyne提出，觀察到的增強(qiáng)效應(yīng)，是由于金屬表面的電化學(xué)電場(chǎng)，這一理論通常被稱為電磁增強(qiáng)。同一時(shí)期，Albretch和Creighton提出，這種增強(qiáng)是由于金屬分子復(fù)合物的形成，稱為化學(xué)(或電荷轉(zhuǎn)移)增強(qiáng)。

本文主要討論使用金屬來提供增強(qiáng)，一些研究資料表明非金屬材料也有拉曼增強(qiáng)潛力。SERS技術(shù)需要一個(gè)粗糙的金屬表面和正確的激光激發(fā)。SERS技術(shù)能夠反映了拉曼光譜的所有優(yōu)勢(shì)，例如，少量樣品快速分析，增加拉曼信號(hào)強(qiáng)度和靈敏度。信號(hào)增強(qiáng)效果，在很大程度上取決于SERS基底的光學(xué)特性、激光激發(fā)的特性、樣品及其拉曼測(cè)試截面。

由于金屬-分子相互作用，SERS光譜可能與正常的拉曼光譜有較大的差異。增強(qiáng)的振動(dòng)帶將是那些最接近金屬表面的振動(dòng)帶。這導(dǎo)致獲得的光譜重復(fù)性差，這是阻礙SERS成為樣品分析中常用的工具的問題之一。為了獲得可重復(fù)的光譜，納米結(jié)構(gòu)需要在整個(gè)基底上提供均勻的增強(qiáng)，使納米粒子功能化，增強(qiáng)關(guān)注區(qū)域的信號(hào)。

SERS效應(yīng)的機(jī)理

SERS效應(yīng)的確切機(jī)制至今仍處于爭(zhēng)論中；然而，人們普遍認(rèn)為電磁增強(qiáng)和化學(xué)增強(qiáng)都發(fā)揮了作用，其中電磁效應(yīng)的增強(qiáng)更為顯著，如圖2。

圖2 SERS的電磁增強(qiáng)和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理

電磁增強(qiáng)是造成SERS效應(yīng)的主要因素，增強(qiáng)程度可達(dá)1010。電磁增強(qiáng)有兩個(gè)方面的貢獻(xiàn)；局部場(chǎng)增強(qiáng)和再輻射增強(qiáng)。電磁增強(qiáng)與分子類型無關(guān)，而依賴于基底及其粗糙度。分子需要放置在距離基底1-10nm處。這意味著，與化學(xué)增強(qiáng)理論相比，它是一個(gè)遠(yuǎn)程效應(yīng)。

化學(xué)增強(qiáng)對(duì)拉曼增強(qiáng)的影響要小得多，通常為102-104。增強(qiáng)是由于分子與襯底的相互作用引起分子的極化性的改變，從而改變了拉曼測(cè)試截面的振動(dòng)模式。樣品和基底之間的距離起到拉曼增強(qiáng)的作用，這種距離是以光譜線波長(zhǎng)為計(jì)量單位，是一個(gè)短程效應(yīng)。

SERS基底

任何材料都可以作為SERS基底，只要能在激發(fā)波長(zhǎng)激發(fā)等離子體激元活性。有幾個(gè)因素影響著基底層的SERS增強(qiáng)。理想的基底應(yīng)該具有較高的SERS活性，需要優(yōu)化尺寸、形狀和金屬粗糙度等。分析物必須有效地吸附在表面上，需要比樣品內(nèi)任何干擾物更高的拉曼截面。如果一個(gè)干擾物具有較高的拉曼截面，它將主導(dǎo)拉曼信號(hào)。基底應(yīng)為均勻的（在整個(gè)基底上提供均勻的增強(qiáng)），清潔的，具有高穩(wěn)定性的長(zhǎng)保質(zhì)期。最后，SERS基底應(yīng)易于生產(chǎn)，成本低。如果關(guān)注痕量檢測(cè)，增強(qiáng)因子是關(guān)鍵，如果對(duì)定量分析感興趣，重復(fù)性是SERS測(cè)試的關(guān)鍵。

SERS金屬基底的選擇對(duì)增強(qiáng)效果至關(guān)重要，金和銀是SERS最常用的金屬。這是由于它們的化學(xué)穩(wěn)定性以及它們的等離子體共振頻率在可見和近紅外范圍內(nèi)（拉曼光譜中最常用的激發(fā)波長(zhǎng)范圍）。人們最常選擇的金屬是金，因?yàn)樗哂休^高的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的毒性，而銀易于氧化并與大氣中的硫化合物發(fā)生反應(yīng)。金在500nm處吸收較強(qiáng)，在常用的532nm激光激發(fā)下，銀納米顆粒更受青睞。對(duì)其他過渡金屬進(jìn)行了SERS增強(qiáng)效果的測(cè)試，如鉑和鐵，但它們的增強(qiáng)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金、銀或銅。然而，當(dāng)在紫外波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用時(shí)，它們顯示出更優(yōu)異的增強(qiáng)效果。

最常見的SERS基底是溶液中的納米顆粒、固定在固體基板上的納米顆粒和制備在固體基板上的納米結(jié)構(gòu)。通過改變納米顆粒的形狀，可以觀察到更多的增強(qiáng)，這是由于在邊緣和角落存在熱點(diǎn)。拉曼信號(hào)增強(qiáng)的常見基底形狀包括納米棒、納米立方體和納米星，如圖3所示。這些形狀提供了熱點(diǎn)區(qū)域，用深綠色表示，起到增強(qiáng)效應(yīng)。

圖3 SERS基底

SERRS

表面增強(qiáng)型共振拉曼散射(SERRS)通過結(jié)合共振拉曼光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的增強(qiáng)。在共振拉曼光譜中，選擇與樣品中電子躍遷的頻率接近的激光激發(fā)源。共振拉曼光譜可以提供102-106的增強(qiáng)效應(yīng)，作為一種技術(shù)，它比SERS更容易被理解。

使用具有共振發(fā)色團(tuán)和金屬納米顆粒的樣品，可以實(shí)現(xiàn)SERRS。SERRS的增強(qiáng)效應(yīng)大于SERS和共振拉曼的增強(qiáng)效應(yīng)，與熒光的靈敏度相當(dāng)（或超過）。增強(qiáng)效應(yīng)是基于電荷轉(zhuǎn)移共振的化學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)。SERRS是一種很好的標(biāo)記技術(shù)，因?yàn)樗鼡碛泻軓?qiáng)的拉曼信號(hào)增強(qiáng)效應(yīng)，淬滅熒光，和發(fā)色團(tuán)信號(hào)增強(qiáng)。

結(jié)? 論

SERS和SERRS是兩種強(qiáng)大的拉曼信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)，克服了標(biāo)準(zhǔn)條件下拉曼散射弱的缺點(diǎn)，可用于定量和定性分析。增強(qiáng)效應(yīng)存在的情況下，可以選擇使用更低的激光功率，保護(hù)樣品，和更短的集成時(shí)間，加快信號(hào)采集速度。SERS/SERRS為在極低濃度下從分析物中獲得更多信息提供了可能。SERS/SERRS的應(yīng)用涉及各個(gè)領(lǐng)域，如，用于體外研究的SERS探針，SERS免疫分析，單分子檢測(cè)，材料分析和DNA檢測(cè)。SERS探針可用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，或用于跟蹤特定分析物的含量（例如監(jiān)測(cè)葡萄糖濃度）。

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參考文獻(xiàn)

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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