拉曼光谱仪应用之SERS测量
拉曼光谱仪应用之SERS测量
拉曼光谱是一种基于分子振动和转动光谱的分析技术，广泛应用于材料、化学、生物等领域。然而，拉曼散射截面较小，导致拉曼信号较弱，限制了其在实际应用中的检测灵敏度。为了提高拉曼信号的强度，研究人员发现了一种名为SERS的现象，通过在金属纳米结构表面进行拉曼散射，可以显著增强拉曼信号。随着纳米技术的发展，人们能够更好地控制金属纳米结构的制备和性质，进一步推动了 SERS 技术的研究和应用。
技术原理
表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）是一种特殊形式的拉曼散射，其信号强度可以比普通拉曼散射强几个数量级。1973 年，英国南安普顿大学的 Martin Fleischmann、Patrick J. Hendra 和 A. James McQuillan 首次观察到吡啶吸附在电化学粗糙银表面上的 SERS 现象。这一发现为解决拉曼光谱信号弱的问题提供了新的思路和方法。SERS的原理主要包括电磁增强机制和化学增强机制：
电磁增强机制：当入射光照射到金属纳米结构表面时，会激发金属表面的等离子体共振，产生局域化的电磁场增强。这种增强效应可以使吸附在金属表面的分子所感受到的电场强度大大增加，从而导致拉曼散射信号的显著增强。在共振条件下，即当等离子体频率与入射光或拉曼散射光的频率相近时，增强效果最为明显，可使拉曼信号增强多个数量级。
化学增强机制：基于分子与金属表面之间的电荷转移相互作用。当分子吸附在金属表面时，分子的电子云与金属的电子态发生相互作用，形成电荷转移复合物。这种相互作用会改变分子的电子结构和振动模式，使得拉曼散射截面增大，从而增强拉曼信号。化学增强理论通常在分子与金属之间存在特定的化学吸附或化学键合时起作用。
电磁增强机制和化学增强机制相互作用，共同决定了SERS的信号强度。
技术优势
高灵敏度：能够检测到极低浓度的分析物，甚至可以实现单分子检测，对于痕量物质的分析具有独特的优势，大大拓展了拉曼光谱的应用范围。
高选择性：通过选择合适的金属纳米结构和实验条件，可以实现对特定分子的选择性增强和检测。同时，拉曼光谱本身具有指纹识别特性，能够根据分子的拉曼光谱特征进行准确的识别和鉴定，减少了其他物质的干扰。
无损检测：在检测过程中，不会对样品造成破坏或改变其化学性质，因此可以对样品进行原位、实时的检测，特别适用于对生物样品、文物、珍贵材料等的分析。
快速简便：不需要复杂的样品制备过程，通常只需要将样品与 SERS 基底接触或混合即可进行测量，大大缩短了分析时间，提高了检测效率。
多组分同时检测：可以在一次测量中同时获得多个组分的拉曼光谱信息，实现多组分的同时分析和鉴定，对于复杂体系的研究具有重要意义。
成本效益和操作简便：SERS技术相比于需要昂贵设备和专业操作的PCR和ELISA方法，具有成本效益高和操作简便的优势。
现场快速检测（POCT）的潜力：结合智能手机技术，SERS技术有望在POCT领域发挥重要作用，特别是在食品安全检测和公共卫生监测中。
综上所述，SERS技术以其分子指纹识别能力、超高灵敏度、无损检测、快速简便、多组分同时检测以及与经济效益的优势，在环境监测、生物医学、食品安全、文化遗产保护、催化与能源等多个领域展现出广泛的应用前景。
应用领域
化学领域：可用于检测和鉴定各种有机和无机化合物，如药物分子、环境污染物、爆炸物等。在化学反应监测方面，实时跟踪化学反应过程中的中间体和产物，研究反应动力学和反应机理。还可用于研究分子间的相互作用和表面吸附现象，了解分子在金属表面的吸附构型、键合方式等。
生物医学领域：在生物分子检测中，可检测蛋白质、核酸、糖类等生物大分子的结构和构象变化，用于疾病的早期诊断和生物标志物的发现。在细胞成像和分析方面，通过将 SERS 纳米探针引入细胞内，可以实现对细胞内生物分子的定位和成像，研究细胞的生理和病理过程。
环境科学领域：能够快速、灵敏地检测环境中的污染物，如重金属离子、有机污染物、农药残留等，为环境监测和污染治理提供重要的技术支持。还可用于研究环境中的化学反应和生物降解过程，了解污染物在环境中的转化和归宿2。
材料科学领域：在材料表面分析方面，研究材料表面的结构、成分和化学键合情况，以及材料表面的吸附、催化等过程。在纳米材料表征中，可用于表征纳米材料的尺寸、形状、结构和光学性质等，为纳米材料的制备和应用提供重要的参考依据。此外，还可用于研究材料的光学、电学和磁学等性能，以及材料在不同环境下的稳定性和耐久性。
食品安全领域：能够高灵敏地检测食品中的各类污染物，像农药残留，可精准识别痕量的有机磷、氨基甲酸酯类农药；兽药残留，诸如氯霉素、四环素等抗生素在肉类、奶制品中的残留。还可准确判断甜味剂、防腐剂是否超标，保障食品合规。此外，通过与特异性识别分子结合的 SERS 探针，能迅速甄别致病微生物，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等，为食品安全把关，助力守护消费者的餐桌健康。
解决方案
4.1 测试系统组成
拉曼光谱仪主机：内部含激光器和光谱仪。激光器用于产生稳定的激光光源，以激发样品产生拉曼散射；光谱仪用于接收拉曼散射信号，并分离不同波长的拉曼散射光，以获得最终拉曼光谱图。
拉曼探头：用于将激光聚焦到样品上，并收集散射回来的拉曼信号。光纤探头具有灵活性，可适配不同的测量场景，如现场测量和浸入式测量等。
SERS 基底：这是实现 SERS 效应的关键，通常为具有特定形貌和尺寸的金属纳米结构，如胶体态银、银岛薄膜、化学刻蚀的金属表面等，可将拉曼信号增强几个数量级。
采样附件：用于放置样品和 SERS 基底，确保在测量过程中样品与基底充分接触，并且位置稳定，以获得稳定的 SERS 信号。
计算机及软件：通过 USB 等通讯接口与光谱仪主机相连，用于控制光谱仪的参数设置、数据采集和处理分析等，可实现拉曼光谱测试及数据处理，包括一键采集光谱、数据分析、导出光谱数据、光谱降噪平滑、荧光基线拟合、去基线功能，提供拉曼谱峰位识别、标识功能、提供拉曼谱峰宽度，峰面积计算等功能。
4.2 系统搭建
将拉曼光谱仪主机置于平稳、洁净的实验台上，连接电源适配器并打开开关，预热至稳定状态；将光纤探头的光纤与光谱仪主机相连，并确保牢固无松动；用USB线连主机与计算机，打开软件设置合适的测量参数；将放液体样品滴加在SERS基底上，固体样品混合或直接放于基底，再把样品移至拉曼探头下方；调节支架使激光聚焦在样品上，并将支架固定于样品拉曼信号最强的点，此时即可开始测试。
图1 系统搭建示意图
应用案例
金黄色葡萄球菌（S. aureus）是一种常见的食源性致病菌，其引起的疾病症状包括恶心、呕吐，严重时甚至可导致休克，对食品安全和人类健康构成威胁。传统的检测方法如平板菌落计数、PCR和ELISA存在耗时长、成本高或假阳性率高等问题，因此市场上急需一种快速、灵敏、准确且成本效益高的检测方法。本研究开发的基于SERS/比色智能生物传感器的技术，通过创新的SERS技术，提高了检测的选择性和灵敏度，特别是在复杂样本基质中，有效避免背景干扰，提高了检测的准确性。开发的SERS探针AuNSs@PB@Ag-Apt进一步提高了检测的灵敏度和准确性，满足了市场对快速、灵敏、准确检测S. aureus的需求。
研究中使用了由提供的SEED 3000便携式拉曼光谱仪进行SERS测量。通过对 10 批次不同时间制备的 SERS 探针进行拉曼信号采集，测试结果如图2所示，验证了探针在 2070 cm?1 处的相对标准偏差 (RSD) 为 3.91%，证明其具有良好的重复性。此外将合成的 SERS 探针放置于 4 °C 黑暗环境中，在不同时间点采集拉曼信号，结果显示探针可以稳定约 14 天。
图2 (a)SERS探针的可重复性；(b)SERS探头的稳定性试验
特异性是评估SERS/比色智能生物传感器可行性的一个指标。使用由提供的SEED 3000便携式拉曼光谱仪测试不同致病菌的SERS图谱，结果如图3所示，在六种不同的致病菌下：金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、单核增生乳杆菌、痢疾菌和鼠伤寒菌，在细菌浓度为1×108 CFU mL?1时，验证了该生物传感器的特异性。本研究采用夹心结构生物传感器对6种致病菌进行SERS检测，对金黄色葡萄球菌的SERS信号最高，表明该生物传感器具有良好的选择性。
图3 不同致病菌SERS图谱
该研究成功开发了基于AuNSs@PB@Ag-Apt SERS探针的双功能核壳结构SERS/比色智能生物传感器。使用由提供的SEED 3000便携式拉曼光谱仪，充分发挥SERS技术的优势，有效避免了生物样本中内源性指纹信号的干扰。同时，在比色分析中，SERS探针取代了传统的HRP酶，实现了更为直观、准确的分析。通过结合修饰凝集素的磁性纳米粒子（F-MNPs-ConA）的快速富集和分离能力，实现了对牛奶样本中金黄色葡萄球菌的高效检测。