表面增强拉曼光谱技术研究进展

王明栋，王宗廷，王凤英

［中国石油大学（华东）理学院化学系，山东青岛 266555］



表面增强拉曼光谱技术研究进展

王明栋，王宗廷，王凤英

［中国石油大学（华东）理学院化学系，山东青岛 266555］

摘要表面增强拉曼光谱（SERS）具有检测灵敏度高、分析速度快等优点，是一种颇具潜力的痕量分析技术。SERS技术的关键在于通过机理研究制备出稳定性高、灵敏度高、重现性好的活性基底，从而实现痕量物质的定量分析。对SERS活性基底的发展和SERS在一些领域的应用进行了综述，提出了亟待解决的问题。

关键词表面增强拉曼光谱；活性基底；痕量分析

表面增强拉曼光谱（Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS）是指将待测物分子吸附在粗糙的纳米金属材料表面，可使待测物的拉曼信号增强106～1015倍［1］的光谱现象，解决了普通拉曼光谱灵敏度低的问题。SERS 活性基底的制备是获得较高拉曼增强信号的前提条件，不同的增强基底对样品的增强效果差别很大，SERS活性基底的材料、纳米颗粒的形状及尺寸、探测物在活性基底上的吸附量和距离等［2-3］因素都会影响SERS的增强效果。随着纳米科技的发展，SERS基底的制备方法取得了巨大进展，从而推动SERS在食品安全［4-5］、环境保护［6-7］医学检测［8］等领域的应用。

1 增强机理

自1974年SERS被发现［9］以来，人们对其增强机制的研讨从未停止，对于SERS增强机理存在着很多争论。目前大多数学者认为SERS增强主要来自两种机理：（1）电磁场增强机理，其中最重要的模型就是等离子体模型，是由于在金属表面发生表面等离子体共振，这种增强效应与金属纳米粒子的大小和形状以及聚集结构密切相关；（2）化学增强机理，它主要反映纳米粒子表面的化学活性位的性质，和探针分子与金属表面的成键以及分子吸附取向密切相关。单独的电磁场增强或化学增强机理均不能解释所有的SERS效应，这两种机理在很多体系中是并存的，并且两者对SERS效应的相对贡献是不同的。过去纳米基底制备的困难阻碍了人们对SERS深入的认识，随着纳米技术的进步，能够拓宽活性基底的发展范围，从而可推动SERS机理的进一步探索。

2 表面增强拉曼活性基底

SERS被应用在科学研究各个领域的一个重要原因在于SERS活性基底的多样性。SERS效应的强弱一方面来自SERS基底所使用的材料，另一方面还受到基底的大小和形貌因素的影响。制备的纳米粒子具有很大的随机性，形状和大小难以控制，而不同组成、大小、形貌的基底有不同的表面电磁场分布和自身的能级性质，这将直接影响所获得的SERS信号的质量，包括信号强度，稳定性和重复性。制备出稳定性、灵敏度高，重现性、均一性好的SERS活性基底是SERS研究的关键。

2.1 早期SERS基底

从最开始在粗糙的银电极上发现SERS现象之后，经过科学家们不断的探索，开发出以多种物质为原料的基底。在可见及近红外光的激发条件下，Au，Ag纳米结构具有强烈的表面等离子体共振特性，可产生很强的电磁场增强，因此Au，Ag纳米粒子及其构筑的纳米结构被广泛应用于SERS检测中［10］。金属纳米粒子最简单的制备方法是湿化学还原法，常用的还原剂有柠檬酸钠、NaBH4、抗坏血酸等，在制备过程中常常加入一些包裹剂如聚乙烯吡咯烷酮等，以提高其稳定性。

Xia 等［11］制备出纳米球、纳米棒、纳米笼、纳米立方体等一系列各种形貌的纳米粒子，随后尺寸为18～32 nm的银纳米立方体被研制出来，其纳米粒径可控，重现性好［12］。Lee等［13］使用多孔氧化铝模板制备致密的银纳米线，并将拉曼探针分子放在银纳米线“热点”区域，得到的SERS信号稳定性好，重复性高，灵敏度强；Sun等［14］在有机溶剂中可控制备了纳米银溶胶，并且提出了经验成核机制。肖海波等［15］用气/液界面自组装金纳米粒子薄膜作为SERS 基底检测三聚氰胺，检测限可达到10-9g/mL 。

1996 年前后，我国厦门大学田中群院士研究组［16-17］发现过渡金属材料也可以作为SERS 基底。通过采用电化学氧化还原、化学刻蚀、表面沉积等多种手段制备纳米级粗糙的过渡金属电极，并借助高灵敏度的共聚焦显微拉曼光谱仪，成功地在Pt，Ru，Rh，Pd，Fe，Co 和Ni电极表面得到较高质量的SERS 信号，增强因子可达102～104。

2.2 半导体基底

作为新开发的SERS 活性基底，半导体纳米材料具备很多以金属为原料的传统基底所不具备的性质。半导体纳米材料的等离子体共振带通常在近红外区或者红外区，不在拉曼测试所使用的激光区域，最终拉曼信号的增强就不存在电磁增强的贡献，所以半导体材料是作为研究SERS化学增强机理的理想材料，并且这一增强与所使用的半导体基底本身的物理性质有关，如能带分布等。Wang等［18］发现4-巯基吡啶吸附在ZnO纳米晶体基底上，其拉曼增强因子达103。

半导体材料的另一优点就是其生物适用性好，Pisarek等以AgNPs自组装在纳米多孔层的TiO2或Al2O3作为生物医学检测SERS活性基底［19］；Han等［20］用TiO2作SERS基底来测定生物体系中苯胺和苯酚类。因此作为SERS活性基底的半导体既具备SERS增强活性，又具备很好的生物相容性，会广泛应用在生物体系内的SERS研究中。

2.3 SERS复合基底

与Au，Ag纳米材料相比，其它的金属纳米材料及非金属纳米材料的增强效果要弱许多，单独将其用于分析检测的实际应用较少，如果能在利用非金属纳米材料的优点的同时提高它们的拉曼增强性质，将会在拉曼应用中开拓新的领域。而核壳结构，纳米颗粒负载到半导体、石墨烯及其它三维结构物质上，组成SERS活性复合基底，能够克服单独非金属纳米材料增强效应弱的缺点。

2.3.1 核壳复合基底

相对比纳米金，纳米银具有更强的表面等离子体共振，但由于纳米银的化学稳定性较弱，在一些领域其应用受到限制。若将其设计成核壳结构，不但稳定性问题能够解决，而且内核和外壳均可被人为设计和可控制备，这种复合型纳米材料能够很好地体现多功能特性，核壳型纳米粒子的发展大大扩展了SERS基底材料的适用范围，成为SERS技术新的里程碑。

2010年，李剑锋课题组［21］提出建立了名为“壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱”（SHINERS）新技术：在SERS活性基底Au纳米颗粒外层包裹一层SiO2或者A12O3之后，将纳米颗粒平铺于待测物质的表层，类似于许多的“针尖”作为SERS基底，这使得拉曼信号大大增强。Au@SiO2纳米粒子因二氧化硅涂层的稳定性、生物兼容性和弱的拉曼散射信号而成为受欢迎的SERS活性基底，具有超薄二氧化硅壳层厚度的Au@SiO2纳米粒子可表现出理想的SERS增强效应。另外，二氧化硅壳层可以保护内核金纳米粒子的稳定性，可循环使用。浮钰等［22］运用Au@Ag核壳结构纳米棒的表面增强拉曼效应检测超痕量葡萄糖，测试结果显示葡萄糖的检出限可达10-14mol/L，该方法在糖尿病的早期筛查中具有良好的潜在应用前景。

后来，Shen等［23］针对SERS技术在定量分析方面存在的关键问题，巧妙地设计并制备出新型金属核/内标分子/金属壳层的纳米颗粒，由于内标分子处于金属的核和壳之间，受外壳金属层的保护，分子层不受检测条件和环境的影响，是一种稳定的内标，内标分子处于纳米颗粒的内部，颗粒壳层表面的所有位点都可以与待测物种作用，可以显著提高检测灵敏度。利用这一新型纳米材料，他们对多种分子实现了SERS的定量检测，提供了一种准确、灵敏、可靠和普适的分析方法。

2.3.2 纳米粒子/石墨烯复合基底

石墨烯等碳材料因具有高比表面积和优异的光学特性，其表面含有丰富的羟基等极性官能团，可对其进行功能化改性，引入所需官能团，易于将目标分子吸附到材料表面，因此石墨烯、碳纳米管等碳材料在新型SERS活性基底中有很好的应用前景。

Ling等［24］首先发现石墨烯具有拉曼光谱增强能力，并对石墨烯增强拉曼现象展开了系统的研究工作。他们使用R6G和结晶紫等常用的一些SERS探针分子使其分别吸附在单层、少层、多层石墨烯和Si02/Si基底上，实验发现在单层石墨烯表面，探针分子的拉曼信号比在SiO2/Si基底表面上强很多。这一现象充分表明在石墨烯表面存在一种拉曼增强效应，这种增强效果对于不同层数的石墨烯表现出很大的差异，对于单层或少层（～10层）石墨烯，能够观察到非常明显的增强效果，而在多层（～50层）石墨烯或石墨块（100层以上）上，探针分子的拉曼信号甚至比SiO2/Si基底表面上的还要弱。

Liu等人［25］采用电化学气相沉积法在贵金属纳米颗粒的表面沉积了石墨烯，形成了Au/G，Ag/G和Cu/G复合基底；宗慎飞等［26］发明利用石墨烯-金属纳米粒子的复合结构作为SERS基底的探针，与传统的以金属纳米粒子溶胶为增强基底的SERS探针相比，SERS信号明显增强，且石墨烯表面的金属纳米粒子均一可控，可重复性好、并且该复合结构纳米粒子和SERS标记物只需要极少量就可以完成探针的制备；Xu等［27］对比分析了不同贵金属纳米颗粒/石墨烯复合基底及其对应的常规贵金属纳米颗粒基底的表面增强拉曼光谱，表明贵金属纳米颗粒/石墨烯基底有着显著优势：增强因子更强，易获得清晰可重复的分子信号，并且石墨烯兼具稳定剂的作用；Kim课题组［28］制备出氧化石墨烯/银纳米粒子/石墨烯三层结构，得到了比单独银纳米结构或者石墨烯更强的拉曼信号，而且可以有效地阻止银的氧化，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负载贵金属纳米颗粒的过程中，缺陷位置对纳米颗粒的成核及生长影响很大，从而进一步影响最终负载在石墨烯表面的金属纳米颗粒的形貌和分布，Goncalves等［29］将氧化石墨烯热处理还原，再负载上金纳米粒子，发现还原之后的氧化石墨烯与还原之前负载上的纳米粒子尺寸和疏密度有很大变化。他们认为氧化石墨烯表面的含氧官能团为金纳米粒子成核提供活性位点，Au3+由石墨烯表面的含氧官能团还原成核，进而影响其纳米粒子的形貌和分布。

2.3.3 其它三维结构复合基底

三维聚焦体积内包含更多的“热点”，能吸附更多探针分子和金属纳米颗粒，以便获得更强的拉曼光谱信号，提高SERS基底分析测试的灵敏度和重现性。

Lee等［30］］成功设计成金纳米薄膜修饰垂直排列碳纳米管阵列复合3D结构作为SERS 基底，由于金纳米粒子在垂直碳纳米管阵列有致密的覆盖，即使在待测物浓度很低时，其灵敏度也很高；Huang等［31］受到仙人掌结构启发，构筑了基于AgNPs修饰的银枝晶/Si纳米针的仿仙人掌复合结构作为SERS基底，由此设计的基底热点密度高，热点分布均匀，采用结晶紫作为探针分子，评价所制备基底的增强性能，其增强因子高达6.6×107，随后将基底应用于孔雀石绿（MG）的快速检测，结果表明其检测限低至10-13mol/L，测定结果的相对标准偏差小于10%，这种新颖的3D SERS基底为SERS传感检测提供了良好的平台，为环境水中痕量待测物的定量分析提供了一种新思路，同时也进一步推动了SERS技术的实际应用。

单分散纳米材料的增强效果往往是很有限的，为了达到高灵敏分析检测的目的，有必要构建具有更高增强效应的SERS基底，而复合纳米材料同时具备两者的优点，因此复合材料的构建在SERS应用中得到了快速的发展，成为研究SERS基底的全新领域。

3 总结和展望

SERS要想实现强大痕量分析技术，理想的SERS基底应该具有稳定性、重现性好，灵敏度、SERS活性高等优点。SERS基底从最初的Au，Ag，Cu 等金属拓展到过渡金属、半导体、石墨烯及其复合材料，SERS 基底的发展使得SERS 技术的应用领域不断拓宽，然而在制备和使用SERS活性基底时也存在一些问题。

（1）目前的纳米粒子制备技术还没有做到合成出来的粒子大小、形状以及表面的规整度都保持完全一致，这样势必会影响最终得到的SERS信号的重现性，限制基底在SERS定量分析领域的应用；

（2）金属溶胶的稳定是通过纳米粒子之间的静电斥力来实现的，进行SERS测试时，加入的被测物质是否会对溶胶的稳定性产生影响，一旦溶胶的稳定性被破坏，也会导致最终SERS光谱的稳定性差。因此，在使用溶胶基底时，如何防止溶胶的纳米粒子发生团聚，仍然是目前的一个科研难题；

（3）是否能成为定量分析的标准方法需要进行各方面的验证，比如对于不同的体系、不同的样品在有无干扰的情况下是否都可以得到稳定、可靠的结果。因此定量分析还是SERS领域的一大挑战；

（4）SERS增强机理的研究，新型SERS活性基底的出现给解决长期争论不休的SERS机理问题提供了新的机遇和挑战，将会为SERS机理的研究提供理想的模型，从而实现实验和理论的有机联系。

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联系人：王明栋；E-mail： 1617973328@qq.com

中图分类号：O657.37

文献标识码：A

文章编号：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