近年來，光學(xué)與光譜學(xué)技術(shù)發(fā)展成為了一種高靈敏、快速、高效并且無損的檢測成像手段，其中表面增強(qiáng)拉曼光譜(surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS)是最常用的光譜方法之一。SERS光譜具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如可作為分子的指紋光譜進(jìn)行無標(biāo)檢測，其超高的靈敏度可以實(shí)現(xiàn)單分子檢測，窄峰寬可實(shí)現(xiàn)多元檢測等，在生物傳感上有著廣泛的應(yīng)用。

自被發(fā)現(xiàn)以來，拉曼散射一直倍受關(guān)注。拉曼光譜與分子振動能級相關(guān)，可以提供每種分子獨(dú)一無二的“指紋”信息。這使得拉曼光譜在研究物質(zhì)成份時(shí)十分方便有效。同為振動光譜的紅外光譜(IR)技術(shù)在材料分析等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，然而水有著很強(qiáng)的紅外吸收，容易產(chǎn)生較強(qiáng)的背景。相反地，水的拉曼散射信號非常弱，不會對樣品的信號產(chǎn)生顯著干擾。因此，在分析水溶液樣品時(shí)，拉曼光譜相比紅外光譜更有優(yōu)勢。然而，物質(zhì)的拉曼散射信號強(qiáng)度通常較低，導(dǎo)致拉曼散射光譜技術(shù)的靈敏度不高。尤其對于低濃度的痕量樣品來說，拉曼散射信號甚至?xí)o法探測到。幸運(yùn)的是，1974年Fleischmann首次發(fā)現(xiàn)粗糙金屬表面可以極大地增強(qiáng)拉曼散射，增強(qiáng)倍數(shù)可達(dá)10³～10⁴。這一異常增強(qiáng)現(xiàn)象被稱為SERS效應(yīng)。SERS發(fā)現(xiàn)對拉曼光譜的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響和有力的推動。其后，人們對SERS效應(yīng)中金屬(特別是貴金屬)增強(qiáng)拉曼散射信號的原理進(jìn)行了深入的研究，目前人們廣泛認(rèn)可的增強(qiáng)機(jī)制為長程電磁增強(qiáng)(electromagnetic enhancement, EE)和短程化學(xué)增強(qiáng)(chemical enhancement, CE)的協(xié)同作用。

金屬粒子增強(qiáng)局部電磁場強(qiáng)的能力主要來自于其等離激元(plasmon)的性質(zhì)。等離激元為金屬的自由電子的振蕩。等離激元可分為發(fā)生在宏觀表面的表面等離激元極子(surface plasmon polaritons, SPP)和發(fā)生在納米結(jié)構(gòu)中的局域表面等離激元(localized surface plasmons, LSP)。圖 1(a)可以顯示出這一過程。振蕩的電子云與電磁場矢量相反方向運(yùn)動，在入射光激發(fā)下金屬納米粒子會產(chǎn)生自己的偶極子場來增強(qiáng)局域光場。當(dāng)入射光接近局域表面等離子體共振(LSPR)頻率時(shí)場增強(qiáng)效果會變得更好。當(dāng)增強(qiáng)的入射光激發(fā)附近的拉曼分子時(shí)，散射出來的場又會被金屬納米粒子增強(qiáng)(圖 1(c)～1(d))。于是有了SERS增強(qiáng)的經(jīng)典公式:

圖 1 (a) 電子云振蕩的圖示，對于小于光波長的納米粒子而言其電子云振蕩方向與電場矢量方向相反; (b)描繪正文中公式1的參數(shù); (c)在光激發(fā)下金屬納米粒子發(fā)射的偶極子場; (d)入射場和出射場的電磁增強(qiáng)

式中，Eloc為局域場的振幅，E0為入射場的振幅，εm為金屬納米粒子的介電常數(shù)，εs為環(huán)境的介電常數(shù)(圖 1(b))。由公式(1)也可推斷出最理想的增強(qiáng)金屬為銅、銀和金，因?yàn)檫@些金屬不僅吸光度低，并且可以在光學(xué)頻率上支持局域表面等離子體共振。處在電磁場的納米結(jié)構(gòu)在其尖端或邊緣增強(qiáng)因子最強(qiáng)，可達(dá)到1010數(shù)量級。如果將拉曼分子置于納米粒子表面的這些位置，可以得到非常可觀的SERS信號。

相對電磁增強(qiáng)而言，化學(xué)增強(qiáng)是一種非常短程的效應(yīng)，只影響到吸附在金屬表面或者幾埃(?)范圍內(nèi)的拉曼分子，而且增強(qiáng)因子通常也比較小，只有101～102。化學(xué)增強(qiáng)的機(jī)制產(chǎn)生于一個(gè)自由分子被金屬表面吸引時(shí)電子結(jié)構(gòu)的改變，有4種過程可以產(chǎn)生這種化學(xué)增強(qiáng)：吸附在金屬表面分子極化度的增加；分子-金屬復(fù)合物的電子轉(zhuǎn)移共振；共振散射的增強(qiáng)以及等離子體共振的增強(qiáng)。這4種過程互相關(guān)聯(lián)，很難單獨(dú)量化每一個(gè)成分對化學(xué)增強(qiáng)總體的貢獻(xiàn)。

于是SERS信號強(qiáng)度的增強(qiáng)因子(EF)可以由電磁增強(qiáng)(EE)和化學(xué)增強(qiáng)(CE)相乘得到(EF=EE×CE)。而這兩種增強(qiáng)因子較難量化，因此一般利用以下公式計(jì)算增強(qiáng)因子：

式中，I_SERS和I_RFM分別表示待測物的SERS信號強(qiáng)度和未經(jīng)增強(qiáng)的拉曼散射信號強(qiáng)度，N_surface和N_bulk分別表示SERS和拉曼散射檢測中被激發(fā)待測分子數(shù)。有關(guān)SERS的報(bào)道中，增強(qiáng)因子從10⁷～10¹⁵不等。在實(shí)際研究中拉曼分子的SERS增強(qiáng)效果會被很多因素影響，例如分子-金屬的相互作用、激發(fā)光以及SERS基底。

對于金屬表面的拉曼分子而言，分子取向會影響SERS光譜。如果局域電場的極化與金屬表面垂直，則吸附分子的拉曼模式中垂直于表面的極化張量被選擇性增強(qiáng)。這一選擇性增強(qiáng)造成的結(jié)果是，不同濃度下SERS光譜中有新的峰出現(xiàn)或有的峰消失，尤其是被測拉曼分子中有很多不同的官能團(tuán)時(shí)這一現(xiàn)象更容易出現(xiàn)。這種現(xiàn)象最早由表面選擇規(guī)則(Surface Selection Rules, SSR)描述。高度對稱的分子散射主要取決于與對稱相關(guān)的選擇性規(guī)則，如中心對稱的分子吸附到金屬表面時(shí)其對稱性被破壞而使不同的峰被增強(qiáng)。

對于激光的影響，主要是當(dāng)激發(fā)等離子激元的激光頻率與分子能量相當(dāng)時(shí)會產(chǎn)生表面增強(qiáng)共振拉曼散射(SERRS)，拉曼信號會得到極大的增強(qiáng)。雖然等離子激元共振頻率很難精確的匹配分子的電子轉(zhuǎn)移頻率，但在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，即使二者相差250 nm左右時(shí)依然可以激發(fā)SERRS。與SERS相比，SERRS中的增強(qiáng)因子會有由共振引起的額外的增強(qiáng)效應(yīng)，但SERRS所得到的強(qiáng)度很大程度上依賴于激發(fā)波長。

值得注意的是，SERS基底對SERS信號的影響十分顯著，因此SERS基底是很多研究的重點(diǎn)。由于金、銀等貴金屬的SERS增強(qiáng)效果最佳，一般的SERS研究都以金、銀或其合金作為基底。在SERS基底中，能提供拉曼增強(qiáng)的區(qū)域被稱為熱點(diǎn)(hot spot)，主要為納米粒子的聚集處。熱點(diǎn)處的電場被極大地增強(qiáng)，從而產(chǎn)生顯著的拉曼增強(qiáng)。至今，研究者們已經(jīng)提出了各種各樣的SERS基底，而這些基底中必不可少的就是為SERS增強(qiáng)做主要貢獻(xiàn)的熱點(diǎn)區(qū)。Song等人的綜述文章中將熱點(diǎn)的發(fā)展分為三代。

第一代SERS基底為簡單的納米粒子結(jié)構(gòu)，如圖 2(a)～2(c)。這類SERS基底通常是具有特殊幾何形貌的金屬納米粒子，他們的尖角或邊緣等處可形成有效的熱點(diǎn)。因此雖然結(jié)構(gòu)簡單，也可以獲得較大的拉曼增強(qiáng)效果。典型的代表有，球形金納米顆粒、球形銀納米顆粒、棒狀金納米顆粒、星形金納米顆粒、三角形銀納米顆粒等。我們課題組也制備出了多種SERS基底，例如金納米星、金納米團(tuán)簇、銀納米棱鏡等(圖 2(d)～2(f))。

圖 2 (a) 金納米粒子的TEM圖；(b)銀納米粒子的TEM圖；(c)鹽酸處理過的金納米棒的TEM圖；(d)金納米星的TEM圖；(e)4MBA標(biāo)記的金團(tuán)聚體的TEM圖；(f)銀納米棱鏡的TEM圖

第二代SERS基底為納米粒子組裝體，通過組裝體內(nèi)粒子間的電磁場耦合作用產(chǎn)生熱點(diǎn)以達(dá)到SERS增強(qiáng)的效果。圖 3是典型的多聚體、納米衛(wèi)星的TEM照片。制備這種納米組裝體時(shí)，通常需要精密的設(shè)計(jì)。例如，可通過靜電作用、DNA或小分子等進(jìn)行納米顆粒的組裝，并對組裝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化以保證一定的產(chǎn)率。得益于豐富的熱點(diǎn)，利用這類納米粒子組裝體作為SERS基底時(shí)，獲得的SERS信號強(qiáng)度能比第一代SERS基底高2～4個(gè)數(shù)量級。

圖 3 (a) L形納米三聚體的TEM圖，在二氧化硅殼內(nèi)包裹三個(gè)修飾PCEPE的金核；(b)3D自組裝等離子體超結(jié)構(gòu)的TEM圖，在硅殼內(nèi)包裹80納米金核和眾多單分散的20納米金納米衛(wèi)星粒子

第三代SERS基底指有序的陣列基底，它們可以提供更均勻的SERS增強(qiáng)效果。從整體上看，前兩代SERS基底具有較隨機(jī)的結(jié)構(gòu)，即便是同批制備的基底(例如金納米星)，彼此之間的SERS增強(qiáng)因子差別仍可能較大，使得SERS信號的均一性不佳。第三代有序陣列SERS基底在第一、二代基底的基礎(chǔ)上，將第一、二代SERS基底與硅、PDMS等基質(zhì)材料結(jié)合，制作均勻的陣列結(jié)構(gòu)。例如，使第一代或第二代基底在硅襯底上以一定的規(guī)律排布，即可獲得按規(guī)律排列的熱點(diǎn)陣列。如圖 4，經(jīng)典的第三代SERS基底有納米天線陣列、納米柱陣列、SHINERS陣列、納米球平板印刷(NSL)陣列等。這些陣列基底的制備大多采用物理方法，利用高度發(fā)達(dá)的納米工藝對材料的形貌實(shí)現(xiàn)精密的控制。規(guī)則的陣列可以使SERS熱點(diǎn)排布更加均勻，測得的信號也具有良好的可重復(fù)性及可靠性。SERS基底制備工藝的發(fā)展對推進(jìn)SERS的應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用。正是由于SERS基底有著如此多元的制作方法和工藝，使人們可以方便地賦予SERS很多功能，因而SERS正逐漸被應(yīng)用于越來越廣泛的領(lǐng)域。

圖 4 (a) BT修飾的Ag-PAO模板的SEM圖，由氧化鋁基質(zhì)在0.1 M氫氧化鈉溶液中部分分解得到；(b)52°傾角的帶有6納米IPS和150 nm硅納米柱的NOSP二聚體SEM圖；(c)非接觸模式TERS；(d)SHINER：殼分離模式；(e)用納米球印刷術(shù)制成的規(guī)則SERS基底方法示意圖

文獻(xiàn)來源中國光學(xué)DOI: 10.3788/CO.20181103.0513

作者：王志樂, 王著元, 宗慎飛, 崔一平.

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