表面增强拉曼散射光谱技术：原理、机制与应用

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@小白创作中心

表面增强拉曼散射光谱技术：原理、机制与应用

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表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering，简称SERS）技术是拉曼光谱领域的一项重要突破，它通过利用等离子体金属纳米结构的光学特性，使得目标分子的拉曼信号显著增强。这种技术不仅提高了拉曼光谱的灵敏度，还在多个领域展现出广泛的应用前景。

SERS现象

由于拉曼信号本质上很弱且常常受到其它信号的干扰和削弱，科学家们不断探索使拉曼信号更强和更容易检测的方法。表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering，简称SERS） 就是其中一种，它利用了具有等离子体性质的纳米结构的光学特性，使得位于等离子体金属纳米结构附近的目标分子的拉曼信号显著增强。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）,可以将拉曼信号提高近1010-15倍，等离子体纳米材料的极高灵敏度、分子特异性以及拉曼光谱的协同作用使SERS成为一种灵敏、快速、无损、强大的分析技术。由于其超高灵敏度和选择性，SERS在表面和界面化学、催化、纳米技术、生物学、生物医学、食品科学、环境分析等领域有着广泛的应用。

基本上，SERS分析吸附在特制金属表面上的分子。这种金属表面应具有等离子性能：在金属与介电材料（如空气）的界面上，激光的入射光与金属的自由电子相互作用，产生共振相互作用，产生电子的振荡密度波，称为 等离子体 。

SERS现象的产生需要满足以下两个条件:

(1) SERS活性基底。通常情况下，采用具有粗糙结构的Au、 Ag等贵金属纳米材料或TiO2、Cu2O和MoS2 等半导体材料作为增强基底；

(2) 基底与探针分子间的距离非常小，一般小于 10 nm。

SERS增强机制

自1974年发现SERS现象以来，其增强机制至今还尚未明确统一，存在不少争议。目前，电磁增强机制（EM）和化学增强机制（CM） 是研究者较为认可的两种增强机制。其中EM对整个SERS增强效应起主导作用，EF增强因子可达105 - 106倍，而来自CM的贡献仅有10 - 103 倍。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。化学增强机制也被称为电荷转移增强机制，主要源于探针分子与基底间的电荷转移引起分子的电子结构的改变，促进分子极化率的提高，从而增大拉曼散射信号。其增强能力取决于分析物自身的电子特性，通过诱导偶极子使分子的极化率增大，因此，化学增强机制比电磁场增强机制的贡献小很多。