基于LSPR效应的高活性SERS基底研究进展

张倩，苏碧云，黄剑

(西安石油大学 化学化工学院，陕西 西安 710065)

表面增强拉曼散射(SERS)是指吸附于粗糙贵金属表面的探针分子在入射激光的照射下，其拉曼散射信号获得显著增强的光学现象。利用高活性的SERS基底，人们可以获得显著增强的拉曼散射信号。SERS光谱的散射峰窄、分辨率高，且能广泛应用于复杂条件下多组分物质的分析检测。近年来，科学家们一直致力于制备各类SERS基底，并探索不同微观结构、不同材料类型、不同组成等因素对散射信号的增强效应。例如，单一的贵金属SERS基底可改性或复合成性能更加优异的高活性复合SERS基底，进而极大地推动了SERS检测技术的发展与应用。本文总结了常用SERS基底的类型并进行简单的分析论述。

1 SERS发展历程及增强机理

1.1 SERS发展历程

1928年，印度物理学家C.V.Raman在利用汞灯照射液体苯时，首次观察到了光的非弹性散射，并称之为拉曼散射或拉曼效应。由于拉曼散射极其微弱，且存在强烈的瑞利散射干扰，受限于当时的基础理论和技术水平，关于(针对)拉曼散射的研究进展较为缓慢。1974年，Fleischmann[1]意外地发现了粗糙Ag电极表面吡啶分子显著增强的拉曼信号(被认为是比表面积增大导致吸附了更多的探针分子，进而引发信号增强)。1977年，Van Duyne[2]和Campion两个研究小组通过严密实验和精确计算发现粗糙Ag电极表面吡啶分子的拉曼散射信号增强了约6个数量级。这类强烈的信号增强不仅与表面粗糙度有关，而且涉及到全新的表面增强机制，并将其最终定义为SERS效应。进一步的研究表明[3]，SERS效应不仅存在于Ag表面，金、铜、镍等金属表面也同样存在一定的SERS增强效应。随后，半导体材料、过渡金属等材料的SERS效应陆续被发现或证实。

1.2 SERS增强机理

SERS效应有效地改善了常规拉曼散射信号微弱的难题，同时在分子水平上给出了分析物的指纹信息，具有较高的检测灵敏度及光谱选择性等优势。然而，关于SERS效应的增强机理，目前尚无统一的理论解释。经过多年探索，科学家们建立了数类模型，提出了多种增强理论，其中获得广泛认可的有两种，分别为电磁增强(EM)和化学增强(CT)。

电磁增强(EM)机制是指在一定波长入射激光的激发下，金属表面自由电子发生集体振荡与电场耦合，进而产生局域表面等离子体共振(LSPR)，导致探针分子的散射信号被显著放大(归因于分子附近较强的电磁场)。化学增强(CT)机制是指在特定频率激光照射下，探针分子和增强基底之间相互作用并发生电荷转移，导致分子极化率增大，也随即增大了拉曼散射截面，进而使得散射信号较大提升。研究表明，化学增强的贡献比电磁增强小很多，其增强能力一般在10～103内[4]。此外，化学增强属于短程作用，主要作用于埃米范围内，且要求分子直接吸附于基底表面。如分子离开基底表面，将导致SERS信号逐渐衰减。

总的来看，SERS效应的增强机制十分复杂，通常是两种增强机制同时存在，共同实现SERS基底的整体增强。其中，LSPR在SERS增强机制中占主导地位(可达104～105)，但也不能忽略化学增强的贡献。此外，SERS基底自身的特性、微观形貌、基底间的作用情况、激光的波长与入射功率等都与增强效应密切相关。

2 SERS活性基底

2.1 简单SERS基底

2.1.1 贵金属溶胶SERS基底 贵金属纳米溶胶SERS基底是目前最常见、且使用最方便的一类活性SERS基底。通常，以硝酸银或氯金酸溶液为前驱体，以柠檬酸钠、硼氢化钠或抗坏血酸等为还原剂，通过化学还原法即可成功制备金、银溶胶SERS基底。虽然化学还原法能够快速简单制得贵金属纳米溶胶，却难以精确控制纳米颗粒的尺寸与形貌。针对上述问题，科研人员探索了不同反应因素对纳米颗粒的控制影响，通过还原剂筛选、还原剂浓度优化、反应时间控制，可实现贵金属纳米颗粒的有效调控。此外，表面活性剂的引入，也有利于纳米颗粒形貌的精确控制。通过不同类型表面活性剂的使用，研究人员获得了形状各异的贵金属纳米颗粒，例如，纳米棒[5]、纳米立方体[5-6]、纳米板[5-7]、纳米线[5，7]、纳米三角[5，7-9]、纳米球[5，8-9]以及纳米星[5，8]等。

2.1.2 贵金属电极SERS基底 Fleishmann于1974年在粗糙Ag电极表面首次发现了SERS效应，粗糙Ag电极SERS基底备受关注，应运而生。除Ag电极之外，其他金属电极也具有类似的增强效应，因此，金属电极SERS基底的制备与应用逐渐成为该领域的研究热点。制备贵金属电极SERS基底最常用的方法是循环伏安法，它包含两个基本过程，一是金属电极被氧化成离子进入电解质溶液(通常为KCl溶液)；二是电解质中的金属离子被还原沉积于电极表面。如此循环往复即可获得具有粗糙表面的金属电极SERS基底，其粗糙度一般为25～500 nm[10]。虽然利用循环伏安法制备贵金属电极SERS基底速度快、易操作，但电势的变化极易影响电极表面的粗糙度，常导致电极SERS基底检测重现性较差，更无法大面积生产制备。

2.1.3 金属薄膜SERS基底 金属薄膜基底通常以硬质基材为支撑，利用旋涂法、自组装法或模板法在其表面涂覆一层或多层具有SERS增强效应的微纳米金属薄膜。其中，旋涂法主要是利用匀胶机在支撑基底表面涂覆一层纳米溶胶，随即形成稳定的金属薄膜。该方法周期短、易操作，且旋涂的金属膜层稳定性好，不易脱落。而自组装法则以交联剂为纽带，通过交联剂连接金属纳米颗粒和功能化硬质基材，进而形成金属薄膜SERS基底。模板法依赖自身的形状，将金属纳米颗粒均匀沉积在其表面，在模板腐蚀后即可形成具有特定形貌的金属薄膜SERS基底。例如，Wang等[11]以多孔氧化铝(AAO)为模板，通过电子束蒸镀法成功制备出了厚度可控、且具有精美图案的多孔Ag膜SERS基底，并利用时域有限差分法(FDTD)模拟计算了薄膜SERS基底的局域电场强度及空间分布。

2.2 复合SERS基底

2.2.1 双金属复合SERS基底 大量研究表明，Ag基SERS基底大多具有良好的SERS增强特性。然而Ag基底在存储或使用过程中极易被氧化，进而导致其增强效应显著衰退。为了解决Ag基SERS基底稳定性差、易被氧化的难题，科学家们逐渐将目光转至双金属复合SERS基底。王利华等[12]利用两步增长法，合成了具有核壳结构的Au@Ag双金属复合SERS基底(该方法先以柠檬酸、柠檬酸钠混合液为还原剂快速还原氯金酸得到Au纳米核，随后再加入柠檬酸钠、抗坏血酸、硝酸银溶液，通过二次生长形成Ag壳)。温馨等[13]通过电沉积法电解氯金酸和氯化铜溶液，实现了硅阵列表面金铜合金的共同沉积，进而得到了有序的金铜合金纳米阵列(通过调节电压或改变氯金酸与氯化铜的摩尔比，可获得不同金铜比例的双金属复合SERS基底)。进一步的研究显示，上述两类双金属复合SERS基底均具有良好的SERS增强特性(其中金铜双金属复合SERS基底对R6G分子的检测限低至10-14mol/L)，且其增强效应显著优于单一组分的贵金属SERS基底。

2.2.2 氧化物复合SERS基底 众所周知，增强基底的SERS检测凭借其良好的选择性、较高的灵敏度、且能提供单分子水平的特征指纹等优点，在环境监测、食品安全、医疗诊断等领域受到了广泛的关注。然而，在SERS检测的实际应用中人们所面临的首要挑战便是设计并构筑一类价格低廉、合成简便、重现性好且性能稳定的高活性SERS基底。Au、Ag等贵金属SERS基底虽增强效应良好，应用广泛，但却存在价格昂贵、重现性低、稳定性差等缺点，不适合于大规模的推广应用。而氧化物或半导体纳米材料大多成本较低且化学性能稳定，但其SERS增强效应严重不足。综合上述难题，科学家们将贵金属微纳结构与氧化物或半导体纳米材料有机复合，充分协调贵金属微纳结构表面的电磁增强机制及各界面的电荷转移与化学增强机制，有望构筑出SERS增强效应显著的高性能复合SERS基底。迄今为止，大量氧化物或半导体纳米材料已被实验证实可用于构筑复合型SERS增强基底，如TiO2[14]、ZnO[15]、CdTe[16]、Fe3O4[17]、WO3[18]、CuO[19]、石墨烯[20]等。Zhao等[21]通过光还原沉积法成功在TiO2纳米线表面负载了高密度的Au纳米颗粒，进而实现了Au/TiO2复合SERS基底的制备。复合后的SERS基底展现出痕量R6G分子的完整特征散射，其增强效应相比未复合的Au纳米颗粒显著提高。

2.2.3 柔性材料复合SERS基底 大量研究表明，SERS分析检测的灵敏度主要取决于SERS基底的增强效应，因此制备重现性好、增强因子高的SERS基底是当前超灵敏分析领域的研究热点之一。然而，由于目前大部分SERS基底都是硬质基底，固体硬质基底坚硬易碎，且不透光，在实际应用过程中往往需要使用溶剂将待测组份从被测物体表面萃取后转移至SERS基底上进行分析检测，该过程十分复杂、耗时，严重影响分析检测效率。此外，实际物体表面结构的各异性，限制了硬质基底在实物表面的原位检测。因此，发展一种可直接在物体表面原位检测待测组份的SERS方法迫在眉睫，而实现原位快速SERS检测的关键是制备增强性能良好的可透光柔性SERS基底。

常见的柔性SERS基底主要有金属纳米薄膜类、基于贵金属纳米颗粒修饰的柔性支撑材料，如纸张[22]、纤维织物[23]、柔性高分子[24]、软生物质[25]等。Kumar等[26]将Ag纳米棒嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物薄膜中，成功制备出Ag纳米棒/高分子柔性SERS基底。该基底具有较高的检测灵敏度，且重现性良好，能直接贴附于果皮表面，实现农药残留的提取与高灵敏分析。赵文宁[23]合成了Au纳米颗粒/聚合物柔性SERS基底和Ag纳米颗粒/碳布柔性SERS基底，在经过约200次的弯折试验后，上述柔性基底的SERS增强特性仍保持稳定，且对R6G的检测极限依然低至10-14mol/L。与常规固体SERS基底相比较，柔性SERS基底不仅具有可折叠、重量轻、成本低等优点，而且极大地增强了SERS基底的便携性和使用范围，有利于复杂表面低浓度待测组份的快速识别与分析。

2.3 多功能SERS基底

2.3.1 可循环再用的SERS基底 SERS基底通常以贵金属纳米材料为主，由于大量使用昂贵的贵金属组分，使得SERS基底的制备及相应的分析检测成本居高不下，严重阻碍了SERS技术的快速发展及商业应用。近年来，科研人员致力于发展具有自清洁效应，且可循环利用的多功能SERS基底。待测组分或污染物能在基底表面直接催化分解，避免造成二次污染或环境污染。基底回收并循环利用，则可显著降低检测成本，实现绿色循环经济。

TiO2因其化学性质稳定、氧化还原性强、光照无损耗、高效降解、无毒等优势，是目前应用最为广泛的一类光催化活性材料。最近研究表明，贵金属/TiO2纳米结构的基底在紫外光或可见光辐射下成功将吸附在其表面的有机物快速氧化为CO2、H2O等无机小分子。Zhang等[27]采用电化学法成功构筑了纳米孔阵列，随后，通过银镜反应快速将Ag纳米颗粒修饰于TiO2纳米孔阵列表面，最后包裹一层氧化石墨烯。所制备TiO2-Ag-GO复合SERS基底孔道排列整齐、孔径均一(100 nm)，Ag纳米颗粒均一地沉积在TiO2纳米孔表面和内部，氧化石墨烯包裹着Ag纳米颗粒防止其氧化。测试基底的增强活性及自清洁能力，785 nm激光辐照一定时间，检测发现，基底表面的探针分子(CV、MG、福美双)被光催化降解。经6个循环的吸附和分解后，实验结果显示TiO2-Ag-GO复合SERS基底的增强特性并无明显降低，上述结果证明该基底具有较好的自清洁能力，在反复使用多次后，其增强性能不会降低。

此外，其他研究人员也成功设计并构建出具有自清洁功能的SERS基底，例如TiO2-Ag的核壳结构[28]、3D多孔ZnO/Ag复合结构[29]、Fe3O4@TiO2@Au复合结构[30]等。

2.3.2 磁性SERS基底 铁氧化物/贵金属纳米复合SERS基底不仅具有磁学特性，且集成了高活性贵金属纳米颗粒的等离子增强特性，在医疗诊断[31]、生物传感[32]、细胞分离[33]、工业催化[34-35]等领域应用广泛。基于磁性纳米材料的顺磁性或超顺磁性，磁性SERS基底在制备过程中通过磁诱导效应可精准调控贵金属纳米颗粒的聚集状态，进而生成高密度的增强“热点”，实现SERS信号的显著增强。检测完成后，仅需添加外置电场即可高效、快速实现复杂分析体系中磁性SERS基底的分离与循环利用[36]。近来，科学家们已设计并制备出各种铁氧化物/贵金属磁性SERS基底，例如Au、Ag负载浓度不同的Fe3O4@Au复合微球[17]、Fe3O4@SiO2@Ag纳米纺锤体[17]、超顺磁性 Fe3O4@Ag 核壳结构[37]等。特别的是，唐祥虎等[38]制备出了Au纳米棒包裹的Fe3O4微纳米球磁性SERS基底，首先采用溶剂热法合成了Fe3O4磁性微纳米球，然后通过聚丙烯酸钠和聚乙烯亚胺功能化得到表面修饰有 —NH2官能团的Fe3O4磁性微纳米球。Au纳米棒因其表面吸附有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)而呈负电性，在静电引力的作用下自发地吸附于Fe3O4磁性微纳米球表面。进一步SEES分析检测结果表明，该磁性SERS基底具有良好的SERS活性及较强的化学稳定性(对4-ATP的检测极限低至1×10-7mol/L，且在放置3个月后仍然保持较高的SERS增强活性)。此外，由于该复合SERS基底具有一定的磁性，人们通过外加磁场即可实现复合纳米颗粒的高密度富集，并可方便地从检测溶液中提取出磁性复合SERS基底。

2.3.3 新型高活性SERS基底 目前，常规SERS基底对于生化分子的分析检测已具备灵敏高、特异性强、高效无损等特点。然而，常规SERS基底在实际应用过程中常常面临携带不便且难以储存的缺点，更无法实现微量生化试样的高效、原位、超灵敏分析。基于此，科学家们开发出新型的高活性SERS基底(如毛细管SERS基底、微流控芯片SERS基底等)，用以解决上述难题。秦素花等[39]利用3-胺丙基三甲氧基硅烷(APTMS)对毛细管内壁进行表面修饰处理，使其内壁氨基化且带正电荷，随后利用静电引力吸附负电荷的哑铃状Au纳米颗粒，所制备的毛细管SERS基底在实际分析检测过程中具有良好的重现性及灵敏度，并实现了果皮表面农药残留的提取及超灵敏分析。毛细管SERS基底的构建则主要是通过毛细管内壁的表面修饰与嫁接技术，逐步实现毛细管内壁微纳结构的生长及贵金属纳米颗粒的原位负载。显然，处于毛细管内部的分级结构及金属纳米颗粒不受外界的干扰与污染，有利于毛细管SERS基底的储存与应用。重要的是，在不借助外力的情况下，利用毛细管与生俱来的虹吸现象，微量的生化试样溶液可自发吸附于毛细管SERS基底内，有效地避免了取样过程中的样品损失，特别适用于微量生化试样的采集与分析检测。

利用微流控芯片的微米级孔道结构，科学家们实现了微孔通道中液态待测组分的可控流动，该过程不仅可操作性强，而且试样消耗较小(皮升至纳升级)[40]。微流控芯片SERS基底则是将化学反应集成于微米尺度芯片内，且同时实现微量试样反应与原位光谱检测一体化的过程。这类基底通常可分为液态基底芯片和固态基底芯片[41]。液态基底芯片SERS基底通常是将贵金属纳米溶胶和探针分子直接通入微孔芯片通道中，通过电场[42]、磁场[43]来调控通道中纳米颗粒的聚集状态，进而获得显著增强的SERS信号。然而，待测组分与贵金属纳米颗粒的混合会造成分析物的污染，干扰随后的检测结果。此外，由于液体的流动性，纳米颗粒的分布和聚集程度也会影响液态基底芯片SERS基底的增强特性。而固态基底芯片SERS基底则是将特定形貌的贵金属纳米颗粒阵列原位生长或预先构筑于微流控微米通道中，有序排列的纳米间隙不仅提供了高密度的“热点”，而且显著改善了散射信号的均匀性。虽然固态基底芯片具有较大的比表面积，能吸附更多的待测组分，提高SERS基底的检测灵敏性，但通道中用以提供活性位点的表面化学修饰常带来额外的散射干扰，使得SERS图谱会出现难以判断的杂质峰。目前，微流控芯片作为高活性SERS基底仍存在一些缺陷与不足，如何结合并发挥微流控SERS基底的优势，实现高效的一体化原位反应检测，仍然需要进一步的探索与努力。

3 总结与展望

基于SERS基底的高效、灵敏的拉曼检测，SERS技术已成为分析领域的研究热点。如今，随着纳米科学领域的发展，满足不同需求的高灵敏SERS复合基底不断涌现，在痕量分析和单分子检测方面发挥重要的作用。目前，面临最大的挑战是探寻一种可重复、均一、增强活性极佳的活性基底。相信随着理论研究的不断深入和实验方法的完善，理想SERS基底结合SERS技术能够实现在复杂环境中有机物的高效、定量检测。