几种表面增强拉曼光谱检测技术发展探讨

秦苗 王红艳 王聪

摘要：表面增强拉曼光谱（SERS）由于能够实现高灵敏度检测并为分析物提供指纹信息已被广泛的用于研究和实际应用。提高SERS的灵敏度有利于各种体系中目标分子的快速分析，进而实现定量分析和检测。目前已经做出很多努力开发新的SERS检测方法，以提高其检测灵敏度和重现性。在本文中，首先介绍了SERS检测的传统检测方法，分别为湿态检测方法和干态检测方法，然后详细描述了动态SERS检测方法（D-SERS）。D-SERS是一种基于从湿态到干态的状态转换纳米粒子增强拉曼光谱检测方法。在此过程中，可以简单地实现一个三维（3D）热点矩阵，该矩阵可以在3D空间中每两个相邻粒子之间保持热点，并且具有最小的粒径多分散性和最大的粒子间距离均匀性。本文进一步讨论了D-SERS方法的优势及D-SERS作为一种超灵敏检测方法的应用发展前景。

关键词：表面增强拉曼光谱;检测灵敏性;D-SERS;三维热点矩阵

表面增强拉曼光谱通过光与金属的电磁相互作用实现信号放大，这种相互作用通过等离子共振激发产生了激光场使得信号大幅度放大。为了得到更强的检测信号，分子必须吸附在金属表面上，或者非常接近金属表面（通常最大值≈10纳米）。表面增强拉曼散射又称SERS，其中表面（S）：SERS是一种表面光谱学技术，待测物和SERS基底表面的吸附结合，这是SERS应用的一个重点。确保待检测的分子能够附着（或至少非常接近）金属基底的表面。在SERS的实际应用中，分子从本体到表面的转移是一个反复出现的过程。增强（E）：金属基底中的等离子体共振可使目标物的拉曼信号产生增强。事实上，“等离子共振”这个术语是与电磁辐射与金属相互作用相关的一系列效应的简称。此外，金属以纳米金属结构的形式出现在SERS效应中，这种纳米结构包括各种不同的SERS基底，包括从溶液中的金属胶体到通过纳米光刻或自组织制造的基底。拉曼（R）：分子本身的拉曼性能。除了前面所说的SERS基底的增强效果，目标物与SERS基底表面的吸附性能，待测物本身的拉曼性能也是SERS增强的一个重要因素，也就是说如果需要对某些分子的拉曼信号进行放大，目标分子自身需要有较好的拉曼信号。拉曼光谱是对非弹性光散射的研究，当应用于分子时，它提供了对分子化学结构（特别是振动结构）的相关信息。

1.SERS检测的常用方法

1.1湿态检测方法

众所周知，SERS现象是在1970年代中期首次发现了基于电化学溶液的系统中SERS增强效应。在过去的40年中，已经报道了各种溶液体系中的SERS检测研究。在SERS的研究的早期阶段，Alan Creighton及其同事报道了银溶胶和吡啶的混合体系[1]。通过改变添加到新鲜银溶胶中的吡啶的含量，会生成颜色从橙色到蓝灰色的溶胶，得到激发波长在500-620nm范围内的各种的银溶胶用于SERS检测。同样，在金溶胶中添加吡啶得到了相似的结果。由于银溶胶比金溶胶具有更高的增强因子，而金溶胶易于制备且具有较高的均质性，因此许多研究小组已尝试合成金-银复合纳米溶胶结构。R.亚娜[2]和Tarasankar[3]已经报道了Au@Ag双金属纳米颗粒作为SERS检测的底物。有趣的是，加入NaCl可诱导纳米颗粒聚集使得Au@Ag溶液的颜色从黄色变为绿色，NaCl的加入进一步提高SERS检测的灵敏度。使用类似的方法，J.Bell等[4]报道了加入MgSO4到金溶胶体系，使金溶胶体系的紫外/可见吸收光谱表现出复杂的变化，并且呈现出MgSO4浓度的函数。添加低浓度的MgSO4会导致原始等离激元带520nm吸收峰强度降低，同时在640nm处出现新的特征峰;进一步添加MgSO4导致峰宽增大，甚至在800nm处出现特征吸收峰。另一方面，Duncan Graham等人研究了在有标签分子的情况下，通过盐诱导银溶胶聚集用于实时SERS成像[5]。盐诱导的纳米粒子聚集使得等离子体激元与激发波长匹配进而实现SERS的灵敏检测。然而，在广泛使用的盐诱导聚集方法中，SERS强度取决于盐的添加量及盐添加与SERS测量之间的时间差，這是因为盐诱导的颗粒聚集是与不可逆的颗粒聚集/沉淀以及探针在纳米颗粒上吸附的不确定性相关的动态过程。

1.2干态检测方法

如今，胶体用于SERS检测的用途不仅限于悬浮液或溶液。在过去的20年中，有一种趋势是制备不同形貌和大小的胶体金属纳米颗粒放置在不同的固体薄膜上，形成适用于SERS检测的底物。与随机胶体聚集体相比，SERS活性的热点可轻松定位并更易于控制。最早是Nie等人[6]通过在聚碳酸酯膜上沉积不同尺寸的单分散Ag纳米颗粒来开发纳米结构薄膜。通过严格控制颗粒大小，密度和层数，他们证明可以通过增加Ag纳米颗粒的尺寸将基板的光学特性（如激发波长响应）从514nm调节至633nm。调制等离激元的另一种方法是合成各向异性的金属纳米结构，因为非对称结构可以产生更复杂的等离激元，并可能导致沿结构产生更强烈的EM场[7]。R.Jana[8]制备了具有不同长度和颗粒各向异性的Ag血小板作为底物，以获得更高的SERS检测灵敏度和增强效果。近年来，Van Duyne[9]开发了一种将金属纳米结构沉积到支撑微球阵列上的方法，表明通过改变支撑微球的尺寸，表面等离子体激元共振可在330至1840nm之间可调。因此，对于常用的SERS激光波长（例如532、633、785和1064nm），存在最佳的微球尺寸。每种沉积的图示和相应的SEM图像如图1所示，展示了固定在金（红色）和银（黑色）纳米棒基底上的局部表面等离子体共振。

通常，SERS测量通常是通过制造高度有序的纳米结构基材并将样品滴到干燥的基底上进行检测。这种方法的优势是当将样品滴加到干燥的活性表面上时，SERS活性基底上吸附分析物分子，获得的信号强度高于使用基于胶体溶液的系统进行SERS检测时获得的拉曼信号强度。目前已经采用了类似的方法使用功能化的纳米粒子或制造用于SERS检测的2D和3D活性底物的高度有序的组件[10]。该方法是将目标TNT分子滴到干燥的Au@PAT活性SERS底物上，然后进行SERS检测。此外，还开发了一种非常简单的方法，以大面积带正电的聚苯胺（PANI）纳米纤维为模板组装带负电的Au纳米颗粒，从而设计和制造具有高密度热点的SERS基底[11]。为了获得优化的SERS活性底物，进行了不同的实验，以合成具有大约50、30至15nm不同大小的Au纳米粒子的各种Au/PANI。进一步提出了另一种3D组装策略，该策略通过调整在热响应性微凝胶模板上的Ag纳米颗粒之间的距离，创建用于电磁增强的高密度热点[12]。该方法实现了从30.4nm到4nm的受控间隙，这使得SERS信号增强了大约三个数量级。

与溶液的检测相比，经典的干态检测方法可以显着提高SERS的灵敏度[13]，湿态方法中大量的热点被外部聚集剂占据，因此并不能全部转化为SERS信号。但是，干态检测在实现重现性和稳定性还有一定距离。因此，仍需开发既具有高重现性同时灵敏性也高的SERS检测方法。

2.动态表面增强拉曼光谱法的发展（D-SERS）

SERS检测的传统方法主要有两种：干态检测方法与溶胶检测方法。为了提高光谱检测的灵敏性和重复性，继续发展动态表面增强光谱检测方法。这是基于纳米溶胶在从湿态过渡到干态过程中的实时采集（如图2）。相对于传统的干燥方式和通过添加聚集剂的湿态方法，D-SERS方法有很多优点：首先，D-SERS方法避免了激光损伤可能造成的定量检测不准确的问题，减少了不可靠的信号，提高了结果的准确性。其次，D-SERS产生的最优热点是一个热点区域，这使得电磁场大大增强，为定量检测提供了高灵敏度。最重要的是，与使用纳米粒子随机聚集且纳米间隙不可控的常规SERS方法相比，D-SERS过程可以通过调节实验条件来精确控制。最佳热点的出色再现性也确保了具有出色再现性的定量检测[14]。

2014年，刘洪林对D-SERS进行系统的研究，文章中采用原位同步辐射小角x射线散射（SRSAXS）技术，结合暗场显微技术和原位微紫外技术，研究了银纳米粒子在单液滴中的三维几何形态和等离子体性质的演变[16]。在溶胶蒸发过程中，范德华力和静电斥力的平衡可以产生势阱“trappingwe11”，此时纳米粒子被固定在很小的范围内，即产生三维热点矩阵（图3）。理论和实验结果都表明，在没有任何样本操作的情况下，三维热点是可预测的和时间有序的。使用该基底不仅可以产生比干燥基底至少大2个量级的巨大拉曼增强，而且为捕获分子提供了结构基础。

图3（a）蒸发过程中贵金属纳米溶膠3D热点矩阵形成的过程示意图（b）（I）I=0.6mM时柠檬酸钠合成的Ag溶胶之间的相互作用能（II）（c）不同离子强度时总的相互作用能与g的函数（III）液滴测量示意图理论模拟[16]

D-SERS检测在初始阶段时，溶胶中的纳米粒子做随机的布朗运动，随着溶剂挥发，长程范德华力推进纳米粒子靠近，当纳米粒子靠近到一定程度可引起双电层重叠，产生静电排斥力以防止纳米粒子彼此靠近，两种力的平衡产生一种“临届状态”，在这种状态下，纳米粒子间距离很小可形成很多有效热点，称为“热点矩阵”。达到这种状态后，纳米粒子迅速团聚，由于隧穿效应使许多有效的热点消失，因此信号强度显著下降。这也从侧面解释了干法只是D-SERS方法的最终状态，其优势自然不如D-SERS。

3.总结

在本论文中，总结了经典湿态和干态SERS检测在多个领域的最新发展和应用。此外，我们还介绍了一种新的SERS检测方法，称为D-SERS检测，并介绍了它的特点及超灵敏检测机制。与传统的SERS方法相比，D-SERS检测具有几个优点，例如灵敏度高、重现性较好。特别是，这种简单的方法由于其超灵敏性，甚至可以实现单分子检测，也可与便携式拉曼光谱仪配套使用。此外，这种新策略基于可与激发波长形成共振使得最佳SPR出现，为使用SERS进行定量分析提供一种可能的方法。该方法是湿态和干态方法之间的桥梁，构建了可回收的检测系统，可以克服一些传统SERS检测方法的不足。D-SERS方法可扩展到分离科学、生物化学和化学的应用领域，这种方法为使用SERS的定量分析提供了光明的前景。

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基金项目

安徽省教育厅科学研究项目（KJ2019A0669，KJ2020A0730）;高校学科（专业）拔尖人才学术资助项目（gxbjZD2020090）。

作者简介

秦苗（1990-），女，安徽淮南人，宿州学院实验师，硕士。研究方向：SERS方法学研究。