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天美講堂丨拉曼信號“賦能”--表面增強拉曼散射（SERS技術）
SERS技術簡介
表面增強拉曼散射(SERS)是一種信號增強技術，用于增強弱拉曼散射信號。SERS技術提高了拉曼光譜的靈敏度，通過增強拉曼散射和熒光猝滅（消除熒光背景）。SERS可以將拉曼信號提高近1010-15倍，可以運用拉曼光譜進行單分子分析。
圖1展示了使用表面增強拉曼散射(SERS)可以獲得的增強效果。0.1mM的4-硝基噻吩添加和不添加金納米粒子的光譜圖，顯示了納米粒子產生的拉曼散射信號增強效果。
圖1 利用RM5顯微拉曼測試含和不含金納米顆粒的0.1 mM 4-NTP溶液
SERS效應最早是由南安普頓大學的Fleischmann、Hendra和McQuillan于1974年發現的。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；這使人們意識到，用納米粒子或具有納米級粗糙度的金屬表面使分子靠近(如，吸附)，會增強它們的拉曼散射強度，而這與分子的濃度無關。兩個不同的小組分別去證實這些發現，對觀察到的現象提出了不同的機理。Jeanmarie和van Duyne提出，觀察到的增強效應，是由于金屬表面的電化學電場，這一理論通常被稱為電磁增強。同一時期，Albretch和Creighton提出，這種增強是由于金屬分子復合物的形成，稱為化學(或電荷轉移)增強。
本文主要討論使用金屬來提供增強，一些研究資料表明非金屬材料也有拉曼增強潛力。SERS技術需要一個粗糙的金屬表面和正確的激光激發。SERS技術能夠反映了拉曼光譜的所有優勢，例如，少量樣品快速分析，增加拉曼信號強度和靈敏度。信號增強效果，在很大程度上取決于SERS基底的光學特性、激光激發的特性、樣品及其拉曼測試截面。
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。增強的振動帶將是那些最接近金屬表面的振動帶。這導致獲得的光譜重復性差，這是阻礙SERS成為樣品分析中常用的工具的問題之一。為了獲得可重復的光譜，納米結構需要在整個基底上提供均勻的增強，使納米粒子功能化，增強關注區域的信號。
SERS效應的機理
SERS效應的確切機制至今仍處于爭論中；然而，人們普遍認為電磁增強和化學增強都發揮了作用，其中電磁效應的增強更為顯著，如圖2。
圖2 SERS的電磁增強和化學增強機理
電磁增強是造成SERS效應的主要因素，增強程度可達1010。電磁增強有兩個方面的貢獻；局部場增強和再輻射增強。電磁增強與分子類型無關，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，與化學增強理論相比，它是一個遠程效應。
化學增強對拉曼增強的影響要小得多，通常為102-104。增強是由于分子與襯底的相互作用引起分子的極化性的改變，從而改變了拉曼測試截面的振動模式。樣品和基底之間的距離起到拉曼增強的作用，這種距離是以光譜線波長為計量單位，是一個短程效應。
SERS基底
任何材料都可以作為SERS基底，只要能在激發波長激發等離子體激元活性。有幾個因素影響著基底層的SERS增強。理想的基底應該具有較高的SERS活性，需要優化尺寸、形狀和金屬粗糙度等。分析物必須有效地吸附在表面上，需要比樣品內任何干擾物更高的拉曼截面。如果一個干擾物具有較高的拉曼截面，它將主導拉曼信號。基底應為均勻的（在整個基底上提供均勻的增強），清潔的，具有高穩定性的長保質期。最后，SERS基底應易于生產，成本低。如果關注痕量檢測，增強因子是關鍵，如果對定量分析感興趣，重復性是SERS測試的關鍵。
SERS金屬基底的選擇對增強效果至關重要，金和銀是SERS最常用的金屬。這是由于它們的化學穩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（拉曼光譜中最常用的激發波長范圍）。人們最常選擇的金屬是金，因為它具有較高的化學穩定性和較低的毒性，而銀易于氧化并與大氣中的硫化合物發生反應。金在500nm處吸收較強，在常用的532nm激光激發下，銀納米顆粒更受青睞。對其他過渡金屬進行了SERS增強效果的測試，如鉑和鐵，但它們的增強效果遠遠低于金、銀或銅。然而，當在紫外波長范圍內使用時，它們顯示出更優異的增強效果。
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構。通過改變納米顆粒的形狀，可以觀察到更多的增強，這是由于在邊緣和角落存在熱點。拉曼信號增強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區域，用深綠色表示，起到增強效應。
圖3 SERS基底
SERRS
表面增強型共振拉曼散射(SERRS)通過結合共振拉曼光譜技術實現了進一步的增強。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源。共振拉曼光譜可以提供102-106的增強效應，作為一種技術，它比SERS更容易被理解。
使用具有共振發色團和金屬納米顆粒的樣品，可以實現SERRS。SERRS的增強效應大于SERS和共振拉曼的增強效應，與熒光的靈敏度相當（或超過）。增強效應是基于電荷轉移共振的化學增強效應。SERRS是一種很好的標記技術，因為它擁有很強的拉曼信號增強效應，淬滅熒光，和發色團信號增強。
結? 論
SERS和SERRS是兩種強大的拉曼信號增強技術，克服了標準條件下拉曼散射弱的缺點，可用于定量和定性分析。增強效應存在的情況下，可以選擇使用更低的激光功率，保護樣品，和更短的集成時間，加快信號采集速度。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的應用涉及各個領域，如，用于體外研究的SERS探針，SERS免疫分析，單分子檢測，材料分析和DNA檢測。SERS探針可用于監測實驗，或用于跟蹤特定分析物的含量（例如監測葡萄糖濃度）。
儀器推薦
愛丁堡RM5是一款緊湊型的、真共聚焦設計的全自動顯微拉曼光譜儀，可以實現超高的光譜分辨率、空間分辨率和靈敏度。RM5的設計基于強大的專業知識和經典光路原理構型，結合現代光學設計，注重功能、精度和速度，在性能和易用性上形成獨具一格的現代化顯微拉曼光譜儀，標配三個窄帶激光器（532nm、638nm、785nm），適用于各種SERS基底負載樣品的表征和分析。
參考文獻
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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