雷 霏，王雅晨，孫其然，羅儀文，楊 旭

（1．華東政法大學(xué)，上海 200042；2．司法鑒定科學(xué)研究院 上海市司法鑒定專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200063）

拉曼光譜作為一種分子振動(dòng)光譜，它能夠有效地利用光被分子散射后產(chǎn)生的頻率變化，從而進(jìn)行定性與結(jié)構(gòu)分析，是目前快速無(wú)損檢測(cè)的一項(xiàng)有力工具，因而在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用，同時(shí)也在法庭科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著極大的作用。然而在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中，受檢材自身?xiàng)l件的限制有時(shí)會(huì)難以得到效果良好的特征峰圖，于是有研究者開(kāi)始致力于尋找更加有效的拉曼方法，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）因其增強(qiáng)效果和普適性較好開(kāi)始得到眾多領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)，同時(shí)也為法庭科學(xué)領(lǐng)域中各種物證的拉曼檢測(cè)提供了新的思路。

1 表面增強(qiáng)拉曼光譜的原理

拉曼光譜是一種用于確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)，但常規(guī)拉曼光譜（NRS）由于其散射的小截面通常會(huì)受到低靈敏度的限制或者對(duì)分析物的濃度要求較高[1]。SERS的發(fā)現(xiàn)在很大程度上彌補(bǔ)了這方面的不足，SERS技術(shù)是一種被廣泛應(yīng)用于放大正常弱拉曼散射信號(hào)的技術(shù)，它的增強(qiáng)機(jī)理可以分為兩大類(lèi)理論模型：物理類(lèi)模型和化學(xué)類(lèi)模型。物理類(lèi)的主要代表是電磁場(chǎng)增強(qiáng)（electromagnetic enhancement，EM）模型，也就是表面等離子體共振模型，它認(rèn)為當(dāng)粗糙化的金屬基體表面受到光照時(shí)，金屬表面的等離子體能被激發(fā)到高的能級(jí)，與光波的電場(chǎng)耦合，并發(fā)生共振，使金屬表面的電場(chǎng)增強(qiáng)，產(chǎn)生增強(qiáng)的拉曼散射。化學(xué)類(lèi)的增強(qiáng)機(jī)理可以分為三類(lèi):一是金屬和吸附分子之間有電荷共振躍遷，即電荷轉(zhuǎn)移模型；二是吸附物和金屬基底的化學(xué)成鍵導(dǎo)致非共振增強(qiáng)；三是吸附分子和表面吸附原子形成表面絡(luò)合物（新分子體系）而導(dǎo)致的共振增強(qiáng)[2-4]。

2 研究進(jìn)展

20世紀(jì)70年代初，有研究者發(fā)現(xiàn)粗糙的金屬表面可以增強(qiáng)拉曼散射的信號(hào)，于是表面增強(qiáng)拉曼光譜的概念應(yīng)運(yùn)而生，目前應(yīng)用最廣泛的增強(qiáng)手段就是將拉曼光譜與納米技術(shù)相結(jié)合，利用表面粗糙的納米金屬材料，當(dāng)分子吸附在這些材料表面時(shí)，拉曼信號(hào)可以得到增強(qiáng)。常用的金屬材料包括金、銀、銅等，而基于成本和增強(qiáng)效果的考慮，銀溶膠是目前各領(lǐng)域中研究和應(yīng)用最多的一種增強(qiáng)基底[5-6]。目前國(guó)內(nèi)最廣泛使用的銀膠制備方法主要有LEE[7]和NICOLAE[8]的方法，LEE方法是將硝酸銀溶液煮沸后加入檸檬酸鈉溶液還原，在微沸騰狀態(tài)下持續(xù)攪拌反應(yīng)，冷卻到室溫后離心水洗，定容后即可得到銀溶膠。而NICOLAE法與之原理相同，同樣是利用化學(xué)還原，將鹽酸羥胺與氫氧化鈉的混合溶液與硝酸銀溶液反應(yīng)，持續(xù)攪拌后即可得到納米銀膠。

利用化學(xué)還原法來(lái)制備納米金屬粒子，一般都需要加熱攪拌的過(guò)程，然而一般的加熱攪拌過(guò)程，受攪拌區(qū)域、加熱面積等的限制很難達(dá)到均勻。有研究者開(kāi)始嘗試使用微波加熱的方法，其輻射加熱的方式可以使溶劑中各處的溫度分布更為均勻，其穿透能力強(qiáng)，粒子在微波作用下也易于成核，這種方法可以使加熱過(guò)程更加快速均勻，是一種節(jié)能高效的制備途徑[9-11]。

金屬膠體顆?；蚱渌苣z在SERS中的效果與其的尺寸和形貌有關(guān)，在514.5 nm激光波長(zhǎng)下，銀納米粒子的直徑在110~120nm范圍內(nèi)時(shí)的SERS能夠獲取最大的拉曼信號(hào)，對(duì)于647～488nm的激光波長(zhǎng)，最佳粒徑范圍為70～200nm[12]。此外，LIBOR通過(guò)利用銀氨溶液的化學(xué)還原法制備銀膠體粒子，還原劑選用了木糖、葡萄糖、果糖、麥芽糖四種不同結(jié)構(gòu)還原糖，在pH值維持在12.5的條件下進(jìn)行反應(yīng)，從中發(fā)現(xiàn)銀膠的尺寸和形態(tài)與銀氨溶液濃度以及還原糖種類(lèi)有關(guān)，通過(guò)控制反應(yīng)參數(shù)可以將納米銀粒子粒徑控制在增強(qiáng)效果最佳的范圍內(nèi)[13]。

通過(guò)各種途徑以納米銀膠為代表的增強(qiáng)基底制備方法，在眾多領(lǐng)域的表面增強(qiáng)拉曼中得到廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)，在法庭科學(xué)領(lǐng)域，更多新型增強(qiáng)材料和檢測(cè)方法也開(kāi)始在各方面的研究中嶄露頭角。目前，利用SERS檢測(cè)法庭物證的研究主要分為以下幾個(gè)方面。

2.1 SERS對(duì)書(shū)寫(xiě)油墨的檢測(cè)研究

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)的研究者們開(kāi)始利用拉曼光譜對(duì)書(shū)寫(xiě)油墨進(jìn)行檢測(cè)，最早由徐徹等[14]研究了傅里葉變換拉曼光譜鑒定黑色墨水，通過(guò)排除紙張干擾的情況下實(shí)現(xiàn)了種類(lèi)的鑒別。但在對(duì)各種類(lèi)型墨水進(jìn)行檢測(cè)分析時(shí)，有些墨水的特征拉曼峰會(huì)受到熒光的干擾，有些則因超過(guò)CCD采集信號(hào)的范圍而無(wú)法采集[15]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，近年來(lái)，SERS對(duì)書(shū)寫(xiě)油墨的檢測(cè)開(kāi)始得到廣泛的研究和應(yīng)用。IRINA等[16]選取了甲基紫羅蘭、蘇丹黑B、帕拉羅沙寧等10種代表性的有機(jī)染料，分別對(duì)其粉末與溶液進(jìn)行了NRS、SERS的檢測(cè)，結(jié)果證明在NR光譜中受熒光影響而沒(méi)有得到明顯特征振動(dòng)峰的染料分子，能夠在增強(qiáng)后出現(xiàn)較明顯的特征峰譜圖。此后，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始利用表面增強(qiáng)拉曼實(shí)現(xiàn)對(duì)書(shū)寫(xiě)材料的檢測(cè)，并不斷開(kāi)發(fā)新的增強(qiáng)方法。

ALYAMI等[11]用金納米棒代替一般使用的納米銀粒子，他們發(fā)現(xiàn)與普通的銀膠體相比，金納米棒的結(jié)構(gòu)具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性，利用金納米棒垂直陣列對(duì)藍(lán)色圓珠筆進(jìn)行檢測(cè)，獲得了強(qiáng)度高、重現(xiàn)性好的SERS光譜。RAZA等[18]將制備好的銀膠溶液與瓊脂糖粉混合，再進(jìn)行水浴超聲加熱，加熱后的溶液冷卻凝固后制得凝膠塊，將制得的銀-瓊脂塊涂抹在紙張油墨表面進(jìn)行拉曼檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用這種方法制備的增強(qiáng)基底不僅操作簡(jiǎn)單、不易污染檢材，而且與普通的納米銀膠相比，它的增強(qiáng)效果更好。之后，ALI等[19]又在原方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將銀離子和瓊脂糖在水溶液中直接反應(yīng)，在這種方法中，瓊脂可以作為自還原劑去還原銀離子，從而排除其他外部還原劑對(duì)納米顆粒的污染，他們把濾紙浸入制備好的熱溶液中，5s后取出并放置在常溫避光環(huán)境下，72 h之后，這種涂層紙條便可以發(fā)揮作用，將油墨書(shū)寫(xiě)或滴涂在紙條上進(jìn)行拉曼檢測(cè)，可以達(dá)到非常理想的增強(qiáng)效果。

2.2 SERS對(duì)毒物毒品的檢測(cè)研究

常規(guī)的毒物毒品檢測(cè)主要是利用分光光度法、色譜法、質(zhì)譜法以及各種聯(lián)用技術(shù)，這些方法都需要樣品預(yù)處理，過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)較長(zhǎng)，而在案件的偵查過(guò)程中，涉及到一些種屬認(rèn)定、未知物篩查等過(guò)程，往往需要更加快捷的方式。近年來(lái)，拉曼光譜已被廣泛應(yīng)用到毒品檢測(cè)的領(lǐng)域。目前市面上的毒品種類(lèi)繁多，各種新型毒品層出不窮，其組成和結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，再加上實(shí)際案件中待測(cè)樣品含量往往較低，因此，常規(guī)檢測(cè)獲取的拉曼光譜有時(shí)會(huì)出現(xiàn)信噪比低、特征峰被淹沒(méi)的情況，表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)很好地解決了這一問(wèn)題。

王磊等[20]用金納米棒作為增強(qiáng)基底來(lái)檢測(cè)人體尿液中甲基苯丙胺（MAMP）和亞甲基苯丙胺（MDMA）的表面增強(qiáng)拉曼光譜，再將測(cè)得的譜圖通過(guò)自適應(yīng)平滑濾波器進(jìn)行光譜去噪，由小波變換（根據(jù)信號(hào)頻率的不同，將信號(hào)按多尺度分解，依據(jù)尺度信息調(diào)整取樣步長(zhǎng)，聚焦于信號(hào)中的特定頻率分量）實(shí)現(xiàn)光譜中最優(yōu)數(shù)據(jù)的降維，通過(guò)交叉驗(yàn)證（cross validation，CV）實(shí)現(xiàn)支持向量機(jī)分類(lèi)器參數(shù)尋優(yōu)，并根據(jù)交叉驗(yàn)證與分類(lèi)器之間的準(zhǔn)確率關(guān)系，得到分類(lèi)器可用參數(shù)需要滿(mǎn)足的條件。通過(guò)這種與物理相結(jié)合的方法可以將測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確率提高到95%以上。YANG等[21]開(kāi)發(fā)了一種離子束濺射技術(shù)來(lái)制備一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，在硅襯底上合成二維銀納米線(xiàn)型陣列作為增強(qiáng)基底，對(duì)比發(fā)現(xiàn)這種增強(qiáng)基底比普通的薄膜基底高出10～100倍的SERS敏感度，他們用這種方法來(lái)檢測(cè)鹽酸氯胺酮的SERS，檢測(cè)結(jié)果可以達(dá)到27ppb。DAO等[22]對(duì)常用除草劑百草枯（para quat，PQ）進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼的檢測(cè)，這是一種近年來(lái)備受關(guān)注的對(duì)人傷害極大的毒物，他們將硝酸銀溶液和氫氟酸在硅片的表面分別進(jìn)行化學(xué)沉積和電沉積，制備成銀納米樹(shù)突狀體（AgND3）。比較發(fā)現(xiàn)電沉積形成的AgND3具有更好的分枝，能夠使枝晶密度更厚，排列更有序，這大大提高了底物的增強(qiáng)因子。因此，由電沉積制備的AgND3活性底物能夠檢測(cè)到低至0.01 ppm的PQ，而相比之下化學(xué)沉積制備的AgND3只能檢測(cè)到高幾百倍濃度的PQ。INSCORE等[23]用玻璃毛細(xì)管固定金、銀溶膠，制備出了SERS毛細(xì)管柱，用固相萃取法將摻雜可卡因、苯丙胺、海洛因等藥物的唾液樣本注入柱中，使藥物與唾液實(shí)現(xiàn)分離，用便攜式拉曼光譜儀檢測(cè)唾液中的藥物成分，在10min內(nèi)成功檢測(cè)出唾液中5種不同的藥物，這種方法為將來(lái)刑事偵查中手持SERS分析儀的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供可能。

2.3 SERS對(duì)爆炸殘留物的檢測(cè)研究

近年來(lái)，由刑事犯罪、恐怖襲擊等所引發(fā)的爆炸事件越來(lái)越多，爆炸品殘留物的分析檢測(cè)也開(kāi)始成為法庭科學(xué)中的熱點(diǎn)之一，爆炸物的主要成分是一種或多種炸藥，多含有C、H、O、N等元素，一般為含有某種爆炸性基團(tuán)的化合物或混合物。SERS可以對(duì)爆炸物分子實(shí)現(xiàn)指紋譜性、超痕量、實(shí)時(shí)高效的探測(cè)和識(shí)別，因此，國(guó)內(nèi)外針對(duì)表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)爆炸物的研究十分活躍。值得一提的是，NRS與SERS的峰位并不完全一致，爆炸物和基底之間的吸附作用可使表面增強(qiáng)拉曼光譜峰位發(fā)生位移，而表面活性劑或穩(wěn)定劑的拉曼峰有時(shí)會(huì)與爆炸物拉曼峰位置重疊，這大大加大了光譜識(shí)別的難度。因此，很多研究者致力于開(kāi)發(fā)各種新型增強(qiáng)基底應(yīng)用于爆炸物的SERS檢測(cè)[24]。

LIU等[25]以EHDAB（乙基十六烷基二甲基溴化銨， ethylhexadecyldimethyl ammonium bromide）作為穩(wěn)定劑，利用種子生長(zhǎng)法（seed-mediated growth）制備了八面體型納米金，并采用一種簡(jiǎn)單的液滴蒸發(fā)法制備了基于金納米粒子的SERS基底，下圖展示了納米結(jié)構(gòu)陣列的制造過(guò)程，在毛細(xì)管和界面力的相互作用下，金八面體納米粒子自發(fā)地緩慢沉降，并排列成雙層有序結(jié)構(gòu)，隨著溶劑的蒸發(fā)，形成了二維及三維的金納米結(jié)構(gòu)組裝體（圖1）。

圖1 圖式顯示了一個(gè)由乙基十六烷基二甲基溴化銨（EHDAB）雙層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的金八面體，以及可以誘導(dǎo)產(chǎn)生有序金納米粒子超結(jié)構(gòu)的液滴蒸發(fā)技術(shù)[25] 。

這種增強(qiáng)基底可以檢測(cè)到濃度低至10-9mol/L的TNT（2，4，6-Trinitrotoluene）清晰譜圖，他們又將 TNT譜圖與 DNT（dinitrotoluence）、2-NT（2-nitrotoluene）、NB（nitrobenzene）等作對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)TNT的拉曼特征峰與其他幾種檢測(cè)化合物有明顯的差異[25]。

KANCHANAPALLY等[26]用氧化石墨烯-金籠狀納米結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)基底檢測(cè)TNT和RDX（hexogen），一方面利用帶負(fù)電荷的氧化石墨烯吸引硝基爆炸物分子，提高化學(xué)增強(qiáng)；另一方面納米籠狀結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)局域電場(chǎng)耦合，從而提高拉曼信號(hào)的強(qiáng)度，結(jié)果表明該方法測(cè)得的爆炸物譜圖能夠提高大約4個(gè)數(shù)量級(jí)的拉曼散射信號(hào)，在對(duì)RDX的檢測(cè)中，增強(qiáng)因子可以達(dá)到1.6×1011。

GONG等[27]通過(guò)自下而上的策略，將銀納米粒子通過(guò)自組裝或原位生長(zhǎng)的方式構(gòu)筑到棉簽頭部，制備出可以直接用于檢測(cè)的SERS棉簽拭子，用其來(lái)檢測(cè)玻璃表面按壓留下的2，4-DNT（2，4-二硝基甲苯），得到了清晰的拉曼譜圖。

WANG等[28]根據(jù)狗的嗅覺(jué)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種結(jié)合SERS檢測(cè)晶體化合物氣相的電子鼻傳感器，用p-氨基苯乙硫醇（PABT）對(duì)逐層打印的噴墨印刷納米銀紙進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)有效地收集了氣相TNT，并通過(guò)多種光譜共振，大大增強(qiáng)了PABT的拉曼散射，檢測(cè)能夠達(dá)到1.6×10-17g/cm2靈敏度。利用這種方法，可以快速檢測(cè)土壤、信封、衣物等物體上的TNT殘留物，未來(lái)有望在刑事現(xiàn)場(chǎng)勘查、安檢等方面實(shí)現(xiàn)爆炸物的快速有效識(shí)別。

2.4 SERS對(duì)其他相關(guān)檢材的檢測(cè)研究

除了上述的幾種檢測(cè)對(duì)象外，SERS在法庭科學(xué)領(lǐng)域還有很多其他方面的研究。其中，染料是最常見(jiàn)的一類(lèi)檢測(cè)對(duì)象，除了上述所提到的書(shū)寫(xiě)材料中含有染料外，其他物證也會(huì)涉及到染料的檢測(cè)，比如毛發(fā)，毛發(fā)是犯罪現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的物證之一，毛發(fā)證據(jù)的分析對(duì)于刑事偵查來(lái)說(shuō)具有重要的價(jià)值，而染發(fā)劑則是頭發(fā)中最常出現(xiàn)的一種成分。KUROUSKI等[29]對(duì)人體頭發(fā)上的染色劑進(jìn)行SERS檢測(cè)，他們將頭發(fā)樣本進(jìn)行常規(guī)的染發(fā)處理，選用金納米粒子作為增強(qiáng)基底，通過(guò)便攜式拉曼光譜儀成功檢測(cè)出頭發(fā)上的染色劑成分。鞋油往往是犯罪現(xiàn)場(chǎng)不易察覺(jué)卻又至關(guān)重要的證據(jù)，但是由于鞋油成分中含有蠟，而蠟的高度重疊吸收干擾了拉曼的檢測(cè)，因此成為一大難點(diǎn)。MUEHLETHALER等[30]研究了鞋油的SERS檢測(cè)，將1 mL染料丙酮溶液、1 mL銀膠水溶液和1mL 0.5mol/L的硝酸鉀溶液混合在一起，對(duì)形成的聚合劑進(jìn)行檢測(cè)，并將結(jié)果與干粉染料的常規(guī)拉曼譜圖作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)SERS能夠清晰的表征鞋油的染料分子，部分在NRS下沒(méi)有響應(yīng)信號(hào)的染料成分也能在SERS中檢測(cè)到。

生物檢材也是法庭科學(xué)中重要分析對(duì)象。CHEN等[31]研究了人體精液的SERS檢測(cè)，選取體積、濃度、運(yùn)動(dòng)活力相差較大的兩組精漿分別標(biāo)記為正常組和異常組，將精漿與銀溶膠按1∶1混合后轉(zhuǎn)移到矩形鋁板上，之后在拉曼探針中加入了不同的偏振器，以不同的偏振光激發(fā)樣品，從而測(cè)得增強(qiáng)效果下的拉曼光譜和偏振拉曼光譜。精漿的SERS光譜反映了檸檬酸、鳥(niǎo)嘌呤和纖維素等生物分子信息，而利用偏振光可以更有效的識(shí)別正常組與異常組精漿生物分子的微小差異。此外，WANG等[32]還將拉曼增強(qiáng)運(yùn)用于人體血液球蛋白的檢測(cè)，他們開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合膜電泳和SERS技術(shù)進(jìn)行血漿分析的新方法，將切斷后的球蛋白帶與被醋酸溶解的銀納米粒子混合，然后離心收集上清液，再將得到的球蛋白-銀納米粒子混合物進(jìn)行SERS檢測(cè)，最后得到了有效的血型鑒定數(shù)據(jù)，為血型分析提供了新的思路。

3 總結(jié)

綜上所述，SERS在法庭科學(xué)領(lǐng)域扮演著相當(dāng)重要的角色，隨著近年來(lái)科技的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外眾多的研究者們針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象開(kāi)發(fā)出各種新型增強(qiáng)技術(shù)，盡管目前的SERS技術(shù)依舊面對(duì)著諸如：增強(qiáng)基底不易長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)；檢測(cè)過(guò)程容易污染檢材等問(wèn)題，探索更多成本低、效率高、循環(huán)性好的增強(qiáng)方法是當(dāng)下研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)，隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，SERS必將在法庭證據(jù)的檢測(cè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。