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(qiáng)拉曼光譜技術(shù)研究進(jìn)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(qiáng)拉曼光譜（SERS）具有檢測(cè)靈敏度高、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(shí)現(xiàn)痕量物質(zhì)的定量分析。對(duì)SERS活性基底的發(fā)展和SERS在一些領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，提出了亟待解決的問題。

關(guān)鍵詞表面增強(qiáng)拉曼光譜；活性基底；痕量分析

表面增強(qiáng)拉曼光譜（Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS）是指將待測(cè)物分子吸附在粗糙的納米金屬材料表面，可使待測(cè)物的拉曼信號(hào)增強(qiáng)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(qiáng)信號(hào)的前提條件，不同的增強(qiáng)基底對(duì)樣品的增強(qiáng)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(cè)物在活性基底上的吸附量和距離等［2-3］因素都會(huì)影響SERS的增強(qiáng)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(jìn)展，從而推動(dòng)SERS在食品安全［4-5］、環(huán)境保護(hù)［6-7］醫(yī)學(xué)檢測(cè)［8］等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 增強(qiáng)機(jī)理

自1974年SERS被發(fā)現(xiàn)［9］以來，人們對(duì)其增強(qiáng)機(jī)制的研討從未停止，對(duì)于SERS增強(qiáng)機(jī)理存在著很多爭(zhēng)論。目前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為SERS增強(qiáng)主要來自兩種機(jī)理：（1）電磁場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)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(qiáng)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(qiáng)機(jī)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(dú)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)或化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理均不能解釋所有的SERS效應(yīng)，這兩種機(jī)理在很多體系中是并存的，并且兩者對(duì)SERS效應(yīng)的相對(duì)貢獻(xiàn)是不同的。過去納米基底制備的困難阻礙了人們對(duì)SERS深入的認(rèn)識(shí)，隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，能夠拓寬活性基底的發(fā)展范圍，從而可推動(dòng)SERS機(jī)理的進(jìn)一步探索。

2 表面增強(qiáng)拉曼活性基底

SERS被應(yīng)用在科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)重要原因在于SERS活性基底的多樣性。SERS效應(yīng)的強(qiáng)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(jī)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(chǎng)分布和自身的能級(jí)性質(zhì)，這將直接影響所獲得的SERS信號(hào)的質(zhì)量，包括信號(hào)強(qiáng)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(qiáng)烈的表面等離子體共振特性，可產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)，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(cè)中［10］。金屬納米粒子最簡(jiǎn)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(diǎn)”區(qū)域，得到的SERS信號(hào)穩(wěn)定性好，重復(fù)性高，靈敏度強(qiáng)；Sun等［14］在有機(jī)溶劑中可控制備了納米銀溶膠，并且提出了經(jīng)驗(yàn)成核機(jī)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(cè)三聚氰胺，檢測(cè)限可達(dá)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(jí)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(hào)，增強(qiáng)因子可達(dá)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(cè)試所使用的激光區(qū)域，最終拉曼信號(hào)的增強(qiáng)就不存在電磁增強(qiáng)的貢獻(xiàn)，所以半導(dǎo)體材料是作為研究SERS化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理的理想材料，并且這一增強(qiáng)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(qiáng)因子達(dá)103。

半導(dǎo)體材料的另一優(yōu)點(diǎn)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(cè)SERS活性基底［19］；Han等［20］用TiO2作SERS基底來測(cè)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(qiáng)活性，又具備很好的生物相容性，會(huì)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(qiáng)效果要弱許多，單獨(dú)將其用于分析檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用較少，如果能在利用非金屬納米材料的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)提高它們的拉曼增強(qiáng)性質(zhì)，將會(huì)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(fù)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(dú)非金屬納米材料增強(qiáng)效應(yīng)弱的缺點(diǎn)。

2.3.1 核殼復(fù)合基底

相對(duì)比納米金，納米銀具有更強(qiáng)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(jì)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(jì)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(kuò)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(qiáng)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(cè)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(hào)大大增強(qiáng)。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(hào)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(qiáng)效應(yīng)。另外，二氧化硅殼層可以保護(hù)內(nèi)核金納米粒子的穩(wěn)定性，可循環(huán)使用。浮鈺等［22］運(yùn)用Au@Ag核殼結(jié)構(gòu)納米棒的表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)檢測(cè)超痕量葡萄糖，測(cè)試結(jié)果顯示葡萄糖的檢出限可達(dá)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(duì)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(jì)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(hù)，分子層不受檢測(cè)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(diǎn)都可以與待測(cè)物種作用，可以顯著提高檢測(cè)靈敏度。利用這一新型納米材料，他們對(duì)多種分子實(shí)現(xiàn)了SERS的定量檢測(cè)，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(tuán)，可對(duì)其進(jìn)行功能化改性，引入所需官能團(tuán)，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(qiáng)能力，并對(duì)石墨烯增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在單層石墨烯表面，探針分子的拉曼信號(hào)比在SiO2/Si基底表面上強(qiáng)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(qiáng)效應(yīng)，這種增強(qiáng)效果對(duì)于不同層數(shù)的石墨烯表現(xiàn)出很大的差異，對(duì)于單層或少層（～10層）石墨烯，能夠觀察到非常明顯的增強(qiáng)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(hào)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(qiáng)基底的SERS探針相比，SERS信號(hào)明顯增強(qiáng)，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(duì)比分析了不同貴金屬納米顆粒/石墨烯復(fù)合基底及其對(duì)應(yīng)的常規(guī)貴金屬納米顆?；椎谋砻嬖鰪?qiáng)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(shì)：增強(qiáng)因子更強(qiáng)，易獲得清晰可重復(fù)的分子信號(hào)，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(dú)銀納米結(jié)構(gòu)或者石墨烯更強(qiáng)的拉曼信號(hào)，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(fù)載貴金屬納米顆粒的過程中，缺陷位置對(duì)納米顆粒的成核及生長(zhǎng)影響很大，從而進(jìn)一步影響最終負(fù)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(fù)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(fù)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(tuán)為金納米粒子成核提供活性位點(diǎn)，Au3+由石墨烯表面的含氧官能團(tuán)還原成核，進(jìn)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(diǎn)”，能吸附更多探針分子和金屬納米顆粒，以便獲得更強(qiáng)的拉曼光譜信號(hào)，提高SERS基底分析測(cè)試的靈敏度和重現(xiàn)性。

Lee等［30］］成功設(shè)計(jì)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(cè)物濃度很低時(shí)，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(jì)的基底熱點(diǎn)密度高，熱點(diǎn)分布均勻，采用結(jié)晶紫作為探針分子，評(píng)價(jià)所制備基底的增強(qiáng)性能，其增強(qiáng)因子高達(dá)6.6×107，隨后將基底應(yīng)用于孔雀石綠（MG）的快速檢測(cè)，結(jié)果表明其檢測(cè)限低至10-13mol/L，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%，這種新穎的3D SERS基底為SERS傳感檢測(cè)提供了良好的平臺(tái)，為環(huán)境水中痕量待測(cè)物的定量分析提供了一種新思路，同時(shí)也進(jìn)一步推動(dòng)了SERS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

單分散納米材料的增強(qiáng)效果往往是很有限的，為了達(dá)到高靈敏分析檢測(cè)的目的，有必要構(gòu)建具有更高增強(qiáng)效應(yīng)的SERS基底，而復(fù)合納米材料同時(shí)具備兩者的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(diǎn)。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(shí)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(shì)必會(huì)影響最終得到的SERS信號(hào)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(shí)現(xiàn)的，進(jìn)行SERS測(cè)試時(shí)，加入的被測(cè)物質(zhì)是否會(huì)對(duì)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(huì)導(dǎo)致最終SERS光譜的穩(wěn)定性差。因此，在使用溶膠基底時(shí)，如何防止溶膠的納米粒子發(fā)生團(tuán)聚，仍然是目前的一個(gè)科研難題；

（3）是否能成為定量分析的標(biāo)準(zhǔn)方法需要進(jìn)行各方面的驗(yàn)證，比如對(duì)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(qiáng)機(jī)理的研究，新型SERS活性基底的出現(xiàn)給解決長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休的SERS機(jī)理問題提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，將會(huì)為SERS機(jī)理的研究提供理想的模型，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和理論的有機(jī)聯(lián)系。

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

中圖分類號(hào)：O657.37

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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