表面增強拉曼光譜技術(shù)研究進展

王明棟，王宗廷，王鳳英

［中國石油大學(xué)（華東）理學(xué)院化學(xué)系，山東青島 266555］

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表面增強拉曼光譜技術(shù)研究進展

王明棟，王宗廷，王鳳英

［中國石油大學(xué)（華東）理學(xué)院化學(xué)系，山東青島 266555］

摘要表面增強拉曼光譜（SERS）具有檢測靈敏度高、分析速度快等優(yōu)點，是一種頗具潛力的痕量分析技術(shù)。SERS技術(shù)的關(guān)鍵在于通過機理研究制備出穩(wěn)定性高、靈敏度高、重現(xiàn)性好的活性基底，從而實現(xiàn)痕量物質(zhì)的定量分析。對SERS活性基底的發(fā)展和SERS在一些領(lǐng)域的應(yīng)用進行了綜述，提出了亟待解決的問題。

關(guān)鍵詞表面增強拉曼光譜；活性基底；痕量分析

表面增強拉曼光譜（Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS）是指將待測物分子吸附在粗糙的納米金屬材料表面，可使待測物的拉曼信號增強106～1015倍［1］的光譜現(xiàn)象，解決了普通拉曼光譜靈敏度低的問題。SERS 活性基底的制備是獲得較高拉曼增強信號的前提條件，不同的增強基底對樣品的增強效果差別很大，SERS活性基底的材料、納米顆粒的形狀及尺寸、探測物在活性基底上的吸附量和距離等［2-3］因素都會影響SERS的增強效果。隨著納米科技的發(fā)展，SERS基底的制備方法取得了巨大進展，從而推動SERS在食品安全［4-5］、環(huán)境保護［6-7］醫(yī)學(xué)檢測［8］等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 增強機理

自1974年SERS被發(fā)現(xiàn)［9］以來，人們對其增強機制的研討從未停止，對于SERS增強機理存在著很多爭論。目前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為SERS增強主要來自兩種機理：（1）電磁場增強機理，其中最重要的模型就是等離子體模型，是由于在金屬表面發(fā)生表面等離子體共振，這種增強效應(yīng)與金屬納米粒子的大小和形狀以及聚集結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；（2）化學(xué)增強機理，它主要反映納米粒子表面的化學(xué)活性位的性質(zhì)，和探針分子與金屬表面的成鍵以及分子吸附取向密切相關(guān)。單獨的電磁場增強或化學(xué)增強機理均不能解釋所有的SERS效應(yīng)，這兩種機理在很多體系中是并存的，并且兩者對SERS效應(yīng)的相對貢獻是不同的。過去納米基底制備的困難阻礙了人們對SERS深入的認(rèn)識，隨著納米技術(shù)的進步，能夠拓寬活性基底的發(fā)展范圍，從而可推動SERS機理的進一步探索。

2 表面增強拉曼活性基底

SERS被應(yīng)用在科學(xué)研究各個領(lǐng)域的一個重要原因在于SERS活性基底的多樣性。SERS效應(yīng)的強弱一方面來自SERS基底所使用的材料，另一方面還受到基底的大小和形貌因素的影響。制備的納米粒子具有很大的隨機性，形狀和大小難以控制，而不同組成、大小、形貌的基底有不同的表面電磁場分布和自身的能級性質(zhì)，這將直接影響所獲得的SERS信號的質(zhì)量，包括信號強度，穩(wěn)定性和重復(fù)性。制備出穩(wěn)定性、靈敏度高，重現(xiàn)性、均一性好的SERS活性基底是SERS研究的關(guān)鍵。

2.1 早期SERS基底

從最開始在粗糙的銀電極上發(fā)現(xiàn)SERS現(xiàn)象之后，經(jīng)過科學(xué)家們不斷的探索，開發(fā)出以多種物質(zhì)為原料的基底。在可見及近紅外光的激發(fā)條件下，Au，Ag納米結(jié)構(gòu)具有強烈的表面等離子體共振特性，可產(chǎn)生很強的電磁場增強，因此Au，Ag納米粒子及其構(gòu)筑的納米結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于SERS檢測中［10］。金屬納米粒子最簡單的制備方法是濕化學(xué)還原法，常用的還原劑有檸檬酸鈉、NaBH4、抗壞血酸等，在制備過程中常常加入一些包裹劑如聚乙烯吡咯烷酮等，以提高其穩(wěn)定性。

Xia 等［11］制備出納米球、納米棒、納米籠、納米立方體等一系列各種形貌的納米粒子，隨后尺寸為18～32 nm的銀納米立方體被研制出來，其納米粒徑可控，重現(xiàn)性好［12］。Lee等［13］使用多孔氧化鋁模板制備致密的銀納米線，并將拉曼探針分子放在銀納米線“熱點”區(qū)域，得到的SERS信號穩(wěn)定性好，重復(fù)性高，靈敏度強；Sun等［14］在有機溶劑中可控制備了納米銀溶膠，并且提出了經(jīng)驗成核機制。肖海波等［15］用氣/液界面自組裝金納米粒子薄膜作為SERS 基底檢測三聚氰胺，檢測限可達到10-9g/mL 。

1996 年前后，我國廈門大學(xué)田中群院士研究組［16-17］發(fā)現(xiàn)過渡金屬材料也可以作為SERS 基底。通過采用電化學(xué)氧化還原、化學(xué)刻蝕、表面沉積等多種手段制備納米級粗糙的過渡金屬電極，并借助高靈敏度的共聚焦顯微拉曼光譜儀，成功地在Pt，Ru，Rh，Pd，F(xiàn)e，Co 和Ni電極表面得到較高質(zhì)量的SERS 信號，增強因子可達102～104。

2.2 半導(dǎo)體基底

作為新開發(fā)的SERS 活性基底，半導(dǎo)體納米材料具備很多以金屬為原料的傳統(tǒng)基底所不具備的性質(zhì)。半導(dǎo)體納米材料的等離子體共振帶通常在近紅外區(qū)或者紅外區(qū)，不在拉曼測試所使用的激光區(qū)域，最終拉曼信號的增強就不存在電磁增強的貢獻，所以半導(dǎo)體材料是作為研究SERS化學(xué)增強機理的理想材料，并且這一增強與所使用的半導(dǎo)體基底本身的物理性質(zhì)有關(guān)，如能帶分布等。Wang等［18］發(fā)現(xiàn)4-巰基吡啶吸附在ZnO納米晶體基底上，其拉曼增強因子達103。

半導(dǎo)體材料的另一優(yōu)點就是其生物適用性好，Pisarek等以AgNPs自組裝在納米多孔層的TiO2或Al2O3作為生物醫(yī)學(xué)檢測SERS活性基底［19］；Han等［20］用TiO2作SERS基底來測定生物體系中苯胺和苯酚類。因此作為SERS活性基底的半導(dǎo)體既具備SERS增強活性，又具備很好的生物相容性，會廣泛應(yīng)用在生物體系內(nèi)的SERS研究中。

2.3 SERS復(fù)合基底

與Au，Ag納米材料相比，其它的金屬納米材料及非金屬納米材料的增強效果要弱許多，單獨將其用于分析檢測的實際應(yīng)用較少，如果能在利用非金屬納米材料的優(yōu)點的同時提高它們的拉曼增強性質(zhì)，將會在拉曼應(yīng)用中開拓新的領(lǐng)域。而核殼結(jié)構(gòu)，納米顆粒負載到半導(dǎo)體、石墨烯及其它三維結(jié)構(gòu)物質(zhì)上，組成SERS活性復(fù)合基底，能夠克服單獨非金屬納米材料增強效應(yīng)弱的缺點。

2.3.1 核殼復(fù)合基底

相對比納米金，納米銀具有更強的表面等離子體共振，但由于納米銀的化學(xué)穩(wěn)定性較弱，在一些領(lǐng)域其應(yīng)用受到限制。若將其設(shè)計成核殼結(jié)構(gòu)，不但穩(wěn)定性問題能夠解決，而且內(nèi)核和外殼均可被人為設(shè)計和可控制備，這種復(fù)合型納米材料能夠很好地體現(xiàn)多功能特性，核殼型納米粒子的發(fā)展大大擴展了SERS基底材料的適用范圍，成為SERS技術(shù)新的里程碑。

2010年，李劍鋒課題組［21］提出建立了名為“殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜”（SHINERS）新技術(shù)：在SERS活性基底Au納米顆粒外層包裹一層SiO2或者A12O3之后，將納米顆粒平鋪于待測物質(zhì)的表層，類似于許多的“針尖”作為SERS基底，這使得拉曼信號大大增強。Au@SiO2納米粒子因二氧化硅涂層的穩(wěn)定性、生物兼容性和弱的拉曼散射信號而成為受歡迎的SERS活性基底，具有超薄二氧化硅殼層厚度的Au@SiO2納米粒子可表現(xiàn)出理想的SERS增強效應(yīng)。另外，二氧化硅殼層可以保護內(nèi)核金納米粒子的穩(wěn)定性，可循環(huán)使用。浮鈺等［22］運用Au@Ag核殼結(jié)構(gòu)納米棒的表面增強拉曼效應(yīng)檢測超痕量葡萄糖，測試結(jié)果顯示葡萄糖的檢出限可達10-14mol/L，該方法在糖尿病的早期篩查中具有良好的潛在應(yīng)用前景。

后來，Shen等［23］針對SERS技術(shù)在定量分析方面存在的關(guān)鍵問題，巧妙地設(shè)計并制備出新型金屬核/內(nèi)標(biāo)分子/金屬殼層的納米顆粒，由于內(nèi)標(biāo)分子處于金屬的核和殼之間，受外殼金屬層的保護，分子層不受檢測條件和環(huán)境的影響，是一種穩(wěn)定的內(nèi)標(biāo)，內(nèi)標(biāo)分子處于納米顆粒的內(nèi)部，顆粒殼層表面的所有位點都可以與待測物種作用，可以顯著提高檢測靈敏度。利用這一新型納米材料，他們對多種分子實現(xiàn)了SERS的定量檢測，提供了一種準(zhǔn)確、靈敏、可靠和普適的分析方法。

2.3.2 納米粒子/石墨烯復(fù)合基底

石墨烯等碳材料因具有高比表面積和優(yōu)異的光學(xué)特性，其表面含有豐富的羥基等極性官能團，可對其進行功能化改性，引入所需官能團，易于將目標(biāo)分子吸附到材料表面，因此石墨烯、碳納米管等碳材料在新型SERS活性基底中有很好的應(yīng)用前景。

Ling等［24］首先發(fā)現(xiàn)石墨烯具有拉曼光譜增強能力，并對石墨烯增強拉曼現(xiàn)象展開了系統(tǒng)的研究工作。他們使用R6G和結(jié)晶紫等常用的一些SERS探針分子使其分別吸附在單層、少層、多層石墨烯和Si02/Si基底上，實驗發(fā)現(xiàn)在單層石墨烯表面，探針分子的拉曼信號比在SiO2/Si基底表面上強很多。這一現(xiàn)象充分表明在石墨烯表面存在一種拉曼增強效應(yīng)，這種增強效果對于不同層數(shù)的石墨烯表現(xiàn)出很大的差異，對于單層或少層（～10層）石墨烯，能夠觀察到非常明顯的增強效果，而在多層（～50層）石墨烯或石墨塊（100層以上）上，探針分子的拉曼信號甚至比SiO2/Si基底表面上的還要弱。

Liu等人［25］采用電化學(xué)氣相沉積法在貴金屬納米顆粒的表面沉積了石墨烯，形成了Au/G，Ag/G和Cu/G復(fù)合基底；宗慎飛等［26］發(fā)明利用石墨烯-金屬納米粒子的復(fù)合結(jié)構(gòu)作為SERS基底的探針，與傳統(tǒng)的以金屬納米粒子溶膠為增強基底的SERS探針相比，SERS信號明顯增強，且石墨烯表面的金屬納米粒子均一可控，可重復(fù)性好、并且該復(fù)合結(jié)構(gòu)納米粒子和SERS標(biāo)記物只需要極少量就可以完成探針的制備；Xu等［27］對比分析了不同貴金屬納米顆粒/石墨烯復(fù)合基底及其對應(yīng)的常規(guī)貴金屬納米顆粒基底的表面增強拉曼光譜，表明貴金屬納米顆粒/石墨烯基底有著顯著優(yōu)勢：增強因子更強，易獲得清晰可重復(fù)的分子信號，并且石墨烯兼具穩(wěn)定劑的作用；Kim課題組［28］制備出氧化石墨烯/銀納米粒子/石墨烯三層結(jié)構(gòu)，得到了比單獨銀納米結(jié)構(gòu)或者石墨烯更強的拉曼信號，而且可以有效地阻止銀的氧化，基底在72天之后依然有良好的SERS活性。

有缺陷的石墨烯材料在其表面負載貴金屬納米顆粒的過程中，缺陷位置對納米顆粒的成核及生長影響很大，從而進一步影響最終負載在石墨烯表面的金屬納米顆粒的形貌和分布，Goncalves等［29］將氧化石墨烯熱處理還原，再負載上金納米粒子，發(fā)現(xiàn)還原之后的氧化石墨烯與還原之前負載上的納米粒子尺寸和疏密度有很大變化。他們認(rèn)為氧化石墨烯表面的含氧官能團為金納米粒子成核提供活性位點，Au3+由石墨烯表面的含氧官能團還原成核，進而影響其納米粒子的形貌和分布。

2.3.3 其它三維結(jié)構(gòu)復(fù)合基底

三維聚焦體積內(nèi)包含更多的“熱點”，能吸附更多探針分子和金屬納米顆粒，以便獲得更強的拉曼光譜信號，提高SERS基底分析測試的靈敏度和重現(xiàn)性。

Lee等［30］］成功設(shè)計成金納米薄膜修飾垂直排列碳納米管陣列復(fù)合3D結(jié)構(gòu)作為SERS 基底，由于金納米粒子在垂直碳納米管陣列有致密的覆蓋，即使在待測物濃度很低時，其靈敏度也很高；Huang等［31］受到仙人掌結(jié)構(gòu)啟發(fā)，構(gòu)筑了基于AgNPs修飾的銀枝晶/Si納米針的仿仙人掌復(fù)合結(jié)構(gòu)作為SERS基底，由此設(shè)計的基底熱點密度高，熱點分布均勻，采用結(jié)晶紫作為探針分子，評價所制備基底的增強性能，其增強因子高達6.6×107，隨后將基底應(yīng)用于孔雀石綠（MG）的快速檢測，結(jié)果表明其檢測限低至10-13mol/L，測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%，這種新穎的3D SERS基底為SERS傳感檢測提供了良好的平臺，為環(huán)境水中痕量待測物的定量分析提供了一種新思路，同時也進一步推動了SERS技術(shù)的實際應(yīng)用。

單分散納米材料的增強效果往往是很有限的，為了達到高靈敏分析檢測的目的，有必要構(gòu)建具有更高增強效應(yīng)的SERS基底，而復(fù)合納米材料同時具備兩者的優(yōu)點，因此復(fù)合材料的構(gòu)建在SERS應(yīng)用中得到了快速的發(fā)展，成為研究SERS基底的全新領(lǐng)域。

3 總結(jié)和展望

SERS要想實現(xiàn)強大痕量分析技術(shù)，理想的SERS基底應(yīng)該具有穩(wěn)定性、重現(xiàn)性好，靈敏度、SERS活性高等優(yōu)點。SERS基底從最初的Au，Ag，Cu 等金屬拓展到過渡金屬、半導(dǎo)體、石墨烯及其復(fù)合材料，SERS 基底的發(fā)展使得SERS 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，然而在制備和使用SERS活性基底時也存在一些問題。

（1）目前的納米粒子制備技術(shù)還沒有做到合成出來的粒子大小、形狀以及表面的規(guī)整度都保持完全一致，這樣勢必會影響最終得到的SERS信號的重現(xiàn)性，限制基底在SERS定量分析領(lǐng)域的應(yīng)用；

（2）金屬溶膠的穩(wěn)定是通過納米粒子之間的靜電斥力來實現(xiàn)的，進行SERS測試時，加入的被測物質(zhì)是否會對溶膠的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，一旦溶膠的穩(wěn)定性被破壞，也會導(dǎo)致最終SERS光譜的穩(wěn)定性差。因此，在使用溶膠基底時，如何防止溶膠的納米粒子發(fā)生團聚，仍然是目前的一個科研難題；

（3）是否能成為定量分析的標(biāo)準(zhǔn)方法需要進行各方面的驗證，比如對于不同的體系、不同的樣品在有無干擾的情況下是否都可以得到穩(wěn)定、可靠的結(jié)果。因此定量分析還是SERS領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)；

（4）SERS增強機理的研究，新型SERS活性基底的出現(xiàn)給解決長期爭論不休的SERS機理問題提供了新的機遇和挑戰(zhàn)，將會為SERS機理的研究提供理想的模型，從而實現(xiàn)實驗和理論的有機聯(lián)系。

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聯(lián)系人：王明棟；E-mail： 1617973328@qq.com

中圖分類號：O657.37

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-6145（2016）01-0104-04

doi：10.3969/j.issn.1008-6145.2016.01.030

收稿日期：2015-11-12

Progress and Trend in Surface-Enhanced Raman Spectroscopy

Wang Mingdong， Wang Zongting， Wang Fengying
［Department of Chemistry， College of Science， China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266555， China］

AbstractSurface-enhanced Raman spectroscopy （SERS） which owned the advantages of high detection sensibility and fast analysis speed is a potentially promising tool for sensing molecules in trace amounts. The key to SERS research is the preparation of SERS active substrates， which is stable， has high sensitivity and good reproducibility， the substrates can realize trace analysis. The development of SERS active substrate was reviewed， the applications in some fields were summarized， and the problems remaining to be solved were put forward.

KeywordsSERS； active substrate； trace analysis