表面增强拉曼光谱在法庭科学领域的研究进展

雷 霏，王雅晨，孙其然，罗仪文，杨 旭

（1．华东政法大学，上海 200042；2．司法鉴定科学研究院 上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海 200063）

拉曼光谱作为一种分子振动光谱，它能够有效地利用光被分子散射后产生的频率变化，从而进行定性与结构分析，是目前快速无损检测的一项有力工具，因而在诸多领域得到了广泛的研究与应用，同时也在法庭科学领域中发挥着极大的作用。然而在实际检验过程中，受检材自身条件的限制有时会难以得到效果良好的特征峰图，于是有研究者开始致力于寻找更加有效的拉曼方法，随着技术的不断发展，表面增强拉曼光谱（SERS）因其增强效果和普适性较好开始得到众多领域的研究与开发，同时也为法庭科学领域中各种物证的拉曼检测提供了新的思路。

1 表面增强拉曼光谱的原理

拉曼光谱是一种用于确定系统结构信息的技术，但常规拉曼光谱（NRS）由于其散射的小截面通常会受到低灵敏度的限制或者对分析物的浓度要求较高[1]。SERS的发现在很大程度上弥补了这方面的不足，SERS技术是一种被广泛应用于放大正常弱拉曼散射信号的技术，它的增强机理可以分为两大类理论模型：物理类模型和化学类模型。物理类的主要代表是电磁场增强（electromagnetic enhancement，EM）模型，也就是表面等离子体共振模型，它认为当粗糙化的金属基体表面受到光照时，金属表面的等离子体能被激发到高的能级，与光波的电场耦合，并发生共振，使金属表面的电场增强，产生增强的拉曼散射。化学类的增强机理可以分为三类:一是金属和吸附分子之间有电荷共振跃迁，即电荷转移模型；二是吸附物和金属基底的化学成键导致非共振增强；三是吸附分子和表面吸附原子形成表面络合物（新分子体系）而导致的共振增强[2-4]。

2 研究进展

20世纪70年代初，有研究者发现粗糙的金属表面可以增强拉曼散射的信号，于是表面增强拉曼光谱的概念应运而生，目前应用最广泛的增强手段就是将拉曼光谱与纳米技术相结合，利用表面粗糙的纳米金属材料，当分子吸附在这些材料表面时，拉曼信号可以得到增强。常用的金属材料包括金、银、铜等，而基于成本和增强效果的考虑，银溶胶是目前各领域中研究和应用最多的一种增强基底[5-6]。目前国内最广泛使用的银胶制备方法主要有LEE[7]和NICOLAE[8]的方法，LEE方法是将硝酸银溶液煮沸后加入柠檬酸钠溶液还原，在微沸腾状态下持续搅拌反应，冷却到室温后离心水洗，定容后即可得到银溶胶。而NICOLAE法与之原理相同，同样是利用化学还原，将盐酸羟胺与氢氧化钠的混合溶液与硝酸银溶液反应，持续搅拌后即可得到纳米银胶。

利用化学还原法来制备纳米金属粒子，一般都需要加热搅拌的过程，然而一般的加热搅拌过程，受搅拌区域、加热面积等的限制很难达到均匀。有研究者开始尝试使用微波加热的方法，其辐射加热的方式可以使溶剂中各处的温度分布更为均匀，其穿透能力强，粒子在微波作用下也易于成核，这种方法可以使加热过程更加快速均匀，是一种节能高效的制备途径[9-11]。

金属胶体颗粒或其水溶胶在SERS中的效果与其的尺寸和形貌有关，在514.5 nm激光波长下，银纳米粒子的直径在110~120nm范围内时的SERS能够获取最大的拉曼信号，对于647～488nm的激光波长，最佳粒径范围为70～200nm[12]。此外，LIBOR通过利用银氨溶液的化学还原法制备银胶体粒子，还原剂选用了木糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖四种不同结构还原糖，在pH值维持在12.5的条件下进行反应，从中发现银胶的尺寸和形态与银氨溶液浓度以及还原糖种类有关，通过控制反应参数可以将纳米银粒子粒径控制在增强效果最佳的范围内[13]。

通过各种途径以纳米银胶为代表的增强基底制备方法，在众多领域的表面增强拉曼中得到广泛的应用，与此同时，在法庭科学领域，更多新型增强材料和检测方法也开始在各方面的研究中崭露头角。目前，利用SERS检测法庭物证的研究主要分为以下几个方面。

2.1 SERS对书写油墨的检测研究

20世纪90年代开始，我国的研究者们开始利用拉曼光谱对书写油墨进行检测，最早由徐彻等[14]研究了傅里叶变换拉曼光谱鉴定黑色墨水，通过排除纸张干扰的情况下实现了种类的鉴别。但在对各种类型墨水进行检测分析时，有些墨水的特征拉曼峰会受到荧光的干扰，有些则因超过CCD采集信号的范围而无法采集[15]。为了解决这个问题，近年来，SERS对书写油墨的检测开始得到广泛的研究和应用。IRINA等[16]选取了甲基紫罗兰、苏丹黑B、帕拉罗沙宁等10种代表性的有机染料，分别对其粉末与溶液进行了NRS、SERS的检测，结果证明在NR光谱中受荧光影响而没有得到明显特征振动峰的染料分子，能够在增强后出现较明显的特征峰谱图。此后，越来越多的研究者开始利用表面增强拉曼实现对书写材料的检测，并不断开发新的增强方法。

ALYAMI等[11]用金纳米棒代替一般使用的纳米银粒子，他们发现与普通的银胶体相比，金纳米棒的结构具有更高的化学稳定性，利用金纳米棒垂直阵列对蓝色圆珠笔进行检测，获得了强度高、重现性好的SERS光谱。RAZA等[18]将制备好的银胶溶液与琼脂糖粉混合，再进行水浴超声加热，加热后的溶液冷却凝固后制得凝胶块，将制得的银-琼脂块涂抹在纸张油墨表面进行拉曼检测，结果发现采用这种方法制备的增强基底不仅操作简单、不易污染检材，而且与普通的纳米银胶相比，它的增强效果更好。之后，ALI等[19]又在原方法的基础上进行改进，将银离子和琼脂糖在水溶液中直接反应，在这种方法中，琼脂可以作为自还原剂去还原银离子，从而排除其他外部还原剂对纳米颗粒的污染，他们把滤纸浸入制备好的热溶液中，5s后取出并放置在常温避光环境下，72 h之后，这种涂层纸条便可以发挥作用，将油墨书写或滴涂在纸条上进行拉曼检测，可以达到非常理想的增强效果。

2.2 SERS对毒物毒品的检测研究

常规的毒物毒品检测主要是利用分光光度法、色谱法、质谱法以及各种联用技术，这些方法都需要样品预处理，过程复杂且耗时较长，而在案件的侦查过程中，涉及到一些种属认定、未知物筛查等过程，往往需要更加快捷的方式。近年来，拉曼光谱已被广泛应用到毒品检测的领域。目前市面上的毒品种类繁多，各种新型毒品层出不穷，其组成和结构都较为复杂，再加上实际案件中待测样品含量往往较低，因此，常规检测获取的拉曼光谱有时会出现信噪比低、特征峰被淹没的情况，表面增强拉曼光谱技术很好地解决了这一问题。

王磊等[20]用金纳米棒作为增强基底来检测人体尿液中甲基苯丙胺（MAMP）和亚甲基苯丙胺（MDMA）的表面增强拉曼光谱，再将测得的谱图通过自适应平滑滤波器进行光谱去噪，由小波变换（根据信号频率的不同，将信号按多尺度分解，依据尺度信息调整取样步长，聚焦于信号中的特定频率分量）实现光谱中最优数据的降维，通过交叉验证（cross validation，CV）实现支持向量机分类器参数寻优，并根据交叉验证与分类器之间的准确率关系，得到分类器可用参数需要满足的条件。通过这种与物理相结合的方法可以将测试结果的准确率提高到95%以上。YANG等[21]开发了一种离子束溅射技术来制备一维半导体纳米结构，在硅衬底上合成二维银纳米线型阵列作为增强基底，对比发现这种增强基底比普通的薄膜基底高出10～100倍的SERS敏感度，他们用这种方法来检测盐酸氯胺酮的SERS，检测结果可以达到27ppb。DAO等[22]对常用除草剂百草枯（para quat，PQ）进行表面增强拉曼的检测，这是一种近年来备受关注的对人伤害极大的毒物，他们将硝酸银溶液和氢氟酸在硅片的表面分别进行化学沉积和电沉积，制备成银纳米树突状体（AgND3）。比较发现电沉积形成的AgND3具有更好的分枝，能够使枝晶密度更厚，排列更有序，这大大提高了底物的增强因子。因此，由电沉积制备的AgND3活性底物能够检测到低至0.01 ppm的PQ，而相比之下化学沉积制备的AgND3只能检测到高几百倍浓度的PQ。INSCORE等[23]用玻璃毛细管固定金、银溶胶，制备出了SERS毛细管柱，用固相萃取法将掺杂可卡因、苯丙胺、海洛因等药物的唾液样本注入柱中，使药物与唾液实现分离，用便携式拉曼光谱仪检测唾液中的药物成分，在10min内成功检测出唾液中5种不同的药物，这种方法为将来刑事侦查中手持SERS分析仪的现场检测提供可能。

2.3 SERS对爆炸残留物的检测研究

近年来，由刑事犯罪、恐怖袭击等所引发的爆炸事件越来越多，爆炸品残留物的分析检测也开始成为法庭科学中的热点之一，爆炸物的主要成分是一种或多种炸药，多含有C、H、O、N等元素，一般为含有某种爆炸性基团的化合物或混合物。SERS可以对爆炸物分子实现指纹谱性、超痕量、实时高效的探测和识别，因此，国内外针对表面增强拉曼检测爆炸物的研究十分活跃。值得一提的是，NRS与SERS的峰位并不完全一致，爆炸物和基底之间的吸附作用可使表面增强拉曼光谱峰位发生位移，而表面活性剂或稳定剂的拉曼峰有时会与爆炸物拉曼峰位置重叠，这大大加大了光谱识别的难度。因此，很多研究者致力于开发各种新型增强基底应用于爆炸物的SERS检测[24]。

LIU等[25]以EHDAB（乙基十六烷基二甲基溴化铵， ethylhexadecyldimethyl ammonium bromide）作为稳定剂，利用种子生长法（seed-mediated growth）制备了八面体型纳米金，并采用一种简单的液滴蒸发法制备了基于金纳米粒子的SERS基底，下图展示了纳米结构阵列的制造过程，在毛细管和界面力的相互作用下，金八面体纳米粒子自发地缓慢沉降，并排列成双层有序结构，随着溶剂的蒸发，形成了二维及三维的金纳米结构组装体（图1）。

图1 图式显示了一个由乙基十六烷基二甲基溴化铵（EHDAB）双层结构稳定的金八面体，以及可以诱导产生有序金纳米粒子超结构的液滴蒸发技术[25] 。

这种增强基底可以检测到浓度低至10-9mol/L的TNT（2，4，6-Trinitrotoluene）清晰谱图，他们又将 TNT谱图与 DNT（dinitrotoluence）、2-NT（2-nitrotoluene）、NB（nitrobenzene）等作对比分析，发现TNT的拉曼特征峰与其他几种检测化合物有明显的差异[25]。

KANCHANAPALLY等[26]用氧化石墨烯-金笼状纳米结构作为增强基底检测TNT和RDX（hexogen），一方面利用带负电荷的氧化石墨烯吸引硝基爆炸物分子，提高化学增强；另一方面纳米笼状结构可以增强局域电场耦合，从而提高拉曼信号的强度，结果表明该方法测得的爆炸物谱图能够提高大约4个数量级的拉曼散射信号，在对RDX的检测中，增强因子可以达到1.6×1011。

GONG等[27]通过自下而上的策略，将银纳米粒子通过自组装或原位生长的方式构筑到棉签头部，制备出可以直接用于检测的SERS棉签拭子，用其来检测玻璃表面按压留下的2，4-DNT（2，4-二硝基甲苯），得到了清晰的拉曼谱图。

WANG等[28]根据狗的嗅觉特点设计出一种结合SERS检测晶体化合物气相的电子鼻传感器，用p-氨基苯乙硫醇（PABT）对逐层打印的喷墨印刷纳米银纸进行了改进，通过电荷转移反应有效地收集了气相TNT，并通过多种光谱共振，大大增强了PABT的拉曼散射，检测能够达到1.6×10-17g/cm2灵敏度。利用这种方法，可以快速检测土壤、信封、衣物等物体上的TNT残留物，未来有望在刑事现场勘查、安检等方面实现爆炸物的快速有效识别。

2.4 SERS对其他相关检材的检测研究

除了上述的几种检测对象外，SERS在法庭科学领域还有很多其他方面的研究。其中，染料是最常见的一类检测对象，除了上述所提到的书写材料中含有染料外，其他物证也会涉及到染料的检测，比如毛发，毛发是犯罪现场最常见的物证之一，毛发证据的分析对于刑事侦查来说具有重要的价值，而染发剂则是头发中最常出现的一种成分。KUROUSKI等[29]对人体头发上的染色剂进行SERS检测，他们将头发样本进行常规的染发处理，选用金纳米粒子作为增强基底，通过便携式拉曼光谱仪成功检测出头发上的染色剂成分。鞋油往往是犯罪现场不易察觉却又至关重要的证据，但是由于鞋油成分中含有蜡，而蜡的高度重叠吸收干扰了拉曼的检测，因此成为一大难点。MUEHLETHALER等[30]研究了鞋油的SERS检测，将1 mL染料丙酮溶液、1 mL银胶水溶液和1mL 0.5mol/L的硝酸钾溶液混合在一起，对形成的聚合剂进行检测，并将结果与干粉染料的常规拉曼谱图作对比，发现SERS能够清晰的表征鞋油的染料分子，部分在NRS下没有响应信号的染料成分也能在SERS中检测到。

生物检材也是法庭科学中重要分析对象。CHEN等[31]研究了人体精液的SERS检测，选取体积、浓度、运动活力相差较大的两组精浆分别标记为正常组和异常组，将精浆与银溶胶按1∶1混合后转移到矩形铝板上，之后在拉曼探针中加入了不同的偏振器，以不同的偏振光激发样品，从而测得增强效果下的拉曼光谱和偏振拉曼光谱。精浆的SERS光谱反映了柠檬酸、鸟嘌呤和纤维素等生物分子信息，而利用偏振光可以更有效的识别正常组与异常组精浆生物分子的微小差异。此外，WANG等[32]还将拉曼增强运用于人体血液球蛋白的检测，他们开发了一种结合膜电泳和SERS技术进行血浆分析的新方法，将切断后的球蛋白带与被醋酸溶解的银纳米粒子混合，然后离心收集上清液，再将得到的球蛋白-银纳米粒子混合物进行SERS检测，最后得到了有效的血型鉴定数据，为血型分析提供了新的思路。

3 总结

综上所述，SERS在法庭科学领域扮演着相当重要的角色，随着近年来科技的不断进步，国内外众多的研究者们针对不同的检测对象开发出各种新型增强技术，尽管目前的SERS技术依旧面对着诸如：增强基底不易长期稳定存储；检测过程容易污染检材等问题，探索更多成本低、效率高、循环性好的增强方法是当下研究领域的焦点，随着研究的深入和技术的发展，SERS必将在法庭证据的检测中发挥越来越大的作用。