幾種表面增強拉曼光譜檢測技術發(fā)展探討

秦苗 王紅艷 王聰

摘要：表面增強拉曼光譜（SERS）由于能夠實現(xiàn)高靈敏度檢測并為分析物提供指紋信息已被廣泛的用于研究和實際應用。提高SERS的靈敏度有利于各種體系中目標分子的快速分析，進而實現(xiàn)定量分析和檢測。目前已經做出很多努力開發(fā)新的SERS檢測方法，以提高其檢測靈敏度和重現(xiàn)性。在本文中，首先介紹了SERS檢測的傳統(tǒng)檢測方法，分別為濕態(tài)檢測方法和干態(tài)檢測方法，然后詳細描述了動態(tài)SERS檢測方法（D-SERS）。D-SERS是一種基于從濕態(tài)到干態(tài)的狀態(tài)轉換納米粒子增強拉曼光譜檢測方法。在此過程中，可以簡單地實現(xiàn)一個三維（3D）熱點矩陣，該矩陣可以在3D空間中每兩個相鄰粒子之間保持熱點，并且具有最小的粒徑多分散性和最大的粒子間距離均勻性。本文進一步討論了D-SERS方法的優(yōu)勢及D-SERS作為一種超靈敏檢測方法的應用發(fā)展前景。

關鍵詞：表面增強拉曼光譜;檢測靈敏性;D-SERS;三維熱點矩陣

表面增強拉曼光譜通過光與金屬的電磁相互作用實現(xiàn)信號放大，這種相互作用通過等離子共振激發(fā)產生了激光場使得信號大幅度放大。為了得到更強的檢測信號，分子必須吸附在金屬表面上，或者非常接近金屬表面（通常最大值≈10納米）。表面增強拉曼散射又稱SERS，其中表面（S）：SERS是一種表面光譜學技術，待測物和SERS基底表面的吸附結合，這是SERS應用的一個重點。確保待檢測的分子能夠附著（或至少非常接近）金屬基底的表面。在SERS的實際應用中，分子從本體到表面的轉移是一個反復出現(xiàn)的過程。增強（E）：金屬基底中的等離子體共振可使目標物的拉曼信號產生增強。事實上，“等離子共振”這個術語是與電磁輻射與金屬相互作用相關的一系列效應的簡稱。此外，金屬以納米金屬結構的形式出現(xiàn)在SERS效應中，這種納米結構包括各種不同的SERS基底，包括從溶液中的金屬膠體到通過納米光刻或自組織制造的基底。拉曼（R）：分子本身的拉曼性能。除了前面所說的SERS基底的增強效果，目標物與SERS基底表面的吸附性能，待測物本身的拉曼性能也是SERS增強的一個重要因素，也就是說如果需要對某些分子的拉曼信號進行放大，目標分子自身需要有較好的拉曼信號。拉曼光譜是對非彈性光散射的研究，當應用于分子時，它提供了對分子化學結構（特別是振動結構）的相關信息。

1.SERS檢測的常用方法

1.1濕態(tài)檢測方法

眾所周知，SERS現(xiàn)象是在1970年代中期首次發(fā)現(xiàn)了基于電化學溶液的系統(tǒng)中SERS增強效應。在過去的40年中，已經報道了各種溶液體系中的SERS檢測研究。在SERS的研究的早期階段，Alan Creighton及其同事報道了銀溶膠和吡啶的混合體系[1]。通過改變添加到新鮮銀溶膠中的吡啶的含量，會生成顏色從橙色到藍灰色的溶膠，得到激發(fā)波長在500-620nm范圍內的各種的銀溶膠用于SERS檢測。同樣，在金溶膠中添加吡啶得到了相似的結果。由于銀溶膠比金溶膠具有更高的增強因子，而金溶膠易于制備且具有較高的均質性，因此許多研究小組已嘗試合成金-銀復合納米溶膠結構。R.亞娜[2]和Tarasankar[3]已經報道了Au@Ag雙金屬納米顆粒作為SERS檢測的底物。有趣的是，加入NaCl可誘導納米顆粒聚集使得Au@Ag溶液的顏色從黃色變?yōu)榫G色，NaCl的加入進一步提高SERS檢測的靈敏度。使用類似的方法，J.Bell等[4]報道了加入MgSO4到金溶膠體系，使金溶膠體系的紫外/可見吸收光譜表現(xiàn)出復雜的變化，并且呈現(xiàn)出MgSO4濃度的函數(shù)。添加低濃度的MgSO4會導致原始等離激元帶520nm吸收峰強度降低，同時在640nm處出現(xiàn)新的特征峰;進一步添加MgSO4導致峰寬增大，甚至在800nm處出現(xiàn)特征吸收峰。另一方面，Duncan Graham等人研究了在有標簽分子的情況下，通過鹽誘導銀溶膠聚集用于實時SERS成像[5]。鹽誘導的納米粒子聚集使得等離子體激元與激發(fā)波長匹配進而實現(xiàn)SERS的靈敏檢測。然而，在廣泛使用的鹽誘導聚集方法中，SERS強度取決于鹽的添加量及鹽添加與SERS測量之間的時間差，這是因為鹽誘導的顆粒聚集是與不可逆的顆粒聚集/沉淀以及探針在納米顆粒上吸附的不確定性相關的動態(tài)過程。

1.2干態(tài)檢測方法

如今，膠體用于SERS檢測的用途不僅限于懸浮液或溶液。在過去的20年中，有一種趨勢是制備不同形貌和大小的膠體金屬納米顆粒放置在不同的固體薄膜上，形成適用于SERS檢測的底物。與隨機膠體聚集體相比，SERS活性的熱點可輕松定位并更易于控制。最早是Nie等人[6]通過在聚碳酸酯膜上沉積不同尺寸的單分散Ag納米顆粒來開發(fā)納米結構薄膜。通過嚴格控制顆粒大小，密度和層數(shù)，他們證明可以通過增加Ag納米顆粒的尺寸將基板的光學特性（如激發(fā)波長響應）從514nm調節(jié)至633nm。調制等離激元的另一種方法是合成各向異性的金屬納米結構，因為非對稱結構可以產生更復雜的等離激元，并可能導致沿結構產生更強烈的EM場[7]。R.Jana[8]制備了具有不同長度和顆粒各向異性的Ag血小板作為底物，以獲得更高的SERS檢測靈敏度和增強效果。近年來，Van Duyne[9]開發(fā)了一種將金屬納米結構沉積到支撐微球陣列上的方法，表明通過改變支撐微球的尺寸，表面等離子體激元共振可在330至1840nm之間可調。因此，對于常用的SERS激光波長（例如532、633、785和1064nm），存在最佳的微球尺寸。每種沉積的圖示和相應的SEM圖像如圖1所示，展示了固定在金（紅色）和銀（黑色）納米棒基底上的局部表面等離子體共振。

通常，SERS測量通常是通過制造高度有序的納米結構基材并將樣品滴到干燥的基底上進行檢測。這種方法的優(yōu)勢是當將樣品滴加到干燥的活性表面上時，SERS活性基底上吸附分析物分子，獲得的信號強度高于使用基于膠體溶液的系統(tǒng)進行SERS檢測時獲得的拉曼信號強度。目前已經采用了類似的方法使用功能化的納米粒子或制造用于SERS檢測的2D和3D活性底物的高度有序的組件[10]。該方法是將目標TNT分子滴到干燥的Au@PAT活性SERS底物上，然后進行SERS檢測。此外，還開發(fā)了一種非常簡單的方法，以大面積帶正電的聚苯胺（PANI）納米纖維為模板組裝帶負電的Au納米顆粒，從而設計和制造具有高密度熱點的SERS基底[11]。為了獲得優(yōu)化的SERS活性底物，進行了不同的實驗，以合成具有大約50、30至15nm不同大小的Au納米粒子的各種Au/PANI。進一步提出了另一種3D組裝策略，該策略通過調整在熱響應性微凝膠模板上的Ag納米顆粒之間的距離，創(chuàng)建用于電磁增強的高密度熱點[12]。該方法實現(xiàn)了從30.4nm到4nm的受控間隙，這使得SERS信號增強了大約三個數(shù)量級。

與溶液的檢測相比，經典的干態(tài)檢測方法可以顯著提高SERS的靈敏度[13]，濕態(tài)方法中大量的熱點被外部聚集劑占據(jù)，因此并不能全部轉化為SERS信號。但是，干態(tài)檢測在實現(xiàn)重現(xiàn)性和穩(wěn)定性還有一定距離。因此，仍需開發(fā)既具有高重現(xiàn)性同時靈敏性也高的SERS檢測方法。

2.動態(tài)表面增強拉曼光譜法的發(fā)展（D-SERS）

SERS檢測的傳統(tǒng)方法主要有兩種：干態(tài)檢測方法與溶膠檢測方法。為了提高光譜檢測的靈敏性和重復性，繼續(xù)發(fā)展動態(tài)表面增強光譜檢測方法。這是基于納米溶膠在從濕態(tài)過渡到干態(tài)過程中的實時采集（如圖2）。相對于傳統(tǒng)的干燥方式和通過添加聚集劑的濕態(tài)方法，D-SERS方法有很多優(yōu)點：首先，D-SERS方法避免了激光損傷可能造成的定量檢測不準確的問題，減少了不可靠的信號，提高了結果的準確性。其次，D-SERS產生的最優(yōu)熱點是一個熱點區(qū)域，這使得電磁場大大增強，為定量檢測提供了高靈敏度。最重要的是，與使用納米粒子隨機聚集且納米間隙不可控的常規(guī)SERS方法相比，D-SERS過程可以通過調節(jié)實驗條件來精確控制。最佳熱點的出色再現(xiàn)性也確保了具有出色再現(xiàn)性的定量檢測[14]。

2014年，劉洪林對D-SERS進行系統(tǒng)的研究，文章中采用原位同步輻射小角x射線散射（SRSAXS）技術，結合暗場顯微技術和原位微紫外技術，研究了銀納米粒子在單液滴中的三維幾何形態(tài)和等離子體性質的演變[16]。在溶膠蒸發(fā)過程中，范德華力和靜電斥力的平衡可以產生勢阱“trappingwe11”，此時納米粒子被固定在很小的范圍內，即產生三維熱點矩陣（圖3）。理論和實驗結果都表明，在沒有任何樣本操作的情況下，三維熱點是可預測的和時間有序的。使用該基底不僅可以產生比干燥基底至少大2個量級的巨大拉曼增強，而且為捕獲分子提供了結構基礎。

圖3（a）蒸發(fā)過程中貴金屬納米溶膠3D熱點矩陣形成的過程示意圖（b）（I）I=0.6mM時檸檬酸鈉合成的Ag溶膠之間的相互作用能（II）（c）不同離子強度時總的相互作用能與g的函數(shù)（III）液滴測量示意圖理論模擬[16]

D-SERS檢測在初始階段時，溶膠中的納米粒子做隨機的布朗運動，隨著溶劑揮發(fā)，長程范德華力推進納米粒子靠近，當納米粒子靠近到一定程度可引起雙電層重疊，產生靜電排斥力以防止納米粒子彼此靠近，兩種力的平衡產生一種“臨屆狀態(tài)”，在這種狀態(tài)下，納米粒子間距離很小可形成很多有效熱點，稱為“熱點矩陣”。達到這種狀態(tài)后，納米粒子迅速團聚，由于隧穿效應使許多有效的熱點消失，因此信號強度顯著下降。這也從側面解釋了干法只是D-SERS方法的最終狀態(tài)，其優(yōu)勢自然不如D-SERS。

3.總結

在本論文中，總結了經典濕態(tài)和干態(tài)SERS檢測在多個領域的最新發(fā)展和應用。此外，我們還介紹了一種新的SERS檢測方法，稱為D-SERS檢測，并介紹了它的特點及超靈敏檢測機制。與傳統(tǒng)的SERS方法相比，D-SERS檢測具有幾個優(yōu)點，例如靈敏度高、重現(xiàn)性較好。特別是，這種簡單的方法由于其超靈敏性，甚至可以實現(xiàn)單分子檢測，也可與便攜式拉曼光譜儀配套使用。此外，這種新策略基于可與激發(fā)波長形成共振使得最佳SPR出現(xiàn)，為使用SERS進行定量分析提供一種可能的方法。該方法是濕態(tài)和干態(tài)方法之間的橋梁，構建了可回收的檢測系統(tǒng)，可以克服一些傳統(tǒng)SERS檢測方法的不足。D-SERS方法可擴展到分離科學、生物化學和化學的應用領域，這種方法為使用SERS的定量分析提供了光明的前景。

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基金項目

安徽省教育廳科學研究項目（KJ2019A0669，KJ2020A0730）;高校學科（專業(yè)）拔尖人才學術資助項目（gxbjZD2020090）。

作者簡介

秦苗（1990-），女，安徽淮南人，宿州學院實驗師，碩士。研究方向：SERS方法學研究。