拉曼课堂知识(六)——SERS表面增强拉曼光谱技术

原标题:拉曼课堂知识(六)——SERS表面增强拉曼光谱技术

表面增强拉曼光谱技术的原理?

表面增强拉曼光谱是指将待测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10的6-15次方倍的光谱现象,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的进展,从而推动SERS在食品安全、环境保护、医学检测等领域的应用。

哪些材料可以作为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。

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。

SERS复合基底;与Au,Ag纳米材料相比,其它的级数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。

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。

表面增强拉曼光谱技术有哪些应用?

SERS活性体系的不断优化,促使SERS实验领域不断扩展,从探针分子到应用材料,从染料分子到荧光材料;从氨基酸、DNA、RNA到蛋白质;从有机到无机,从液体到气体,从单分子吸附到多分子竞争吸附,从水体系到非水体系等等,作为一种光谱技术,SERS已成为灵敏度最高的研究界面效应的技术之一。

单分子检测;SERS技术可以实现超低浓度溶液和超薄薄膜中的分子检测,最近在表面科学,分析化学,纳米技术等领域引起广泛关注。研究表明单个分子吸附在胶体上的表面增强拉曼散光光谱表现出受胶体极化轴的影响。

化学及工业;表面增强拉曼光谱是研究电极化学界面结构、吸附、反应的一种重要谱学工具,作为一种灵敏度很高的表征手段,SERS因为能直接研究物质在胶体上的吸附行为而得到广泛的应用。金属表面具有较高的自由能,容易吸附氧分子并与之反应生成金属氧化物,而水分子即可通过较为疏松的金属氧化物层侵蚀金属本体,形成微电池而造成全面腐蚀。如果在活性金属表面覆盖一层惰性膜,杜绝氧分子在金属表面的富集,即可达到缓蚀效果。鉴于SERS对靠近金属基底单分子层的高灵敏度以及可清楚观察覆盖膜下金属氧化物的生成这些优点,SERS在金属防腐的研究领域内无疑也是一理想的工具。

生物、医学体系;SERS作为一种增强拉曼光谱技术,在研究生物分子的结构和构象方面发挥着重要作用,大量的研究人员利用SERS解决了生物化学,生物物理和分子生物学中的许多问题,包括提供分子的特殊基团与界面的相互作用、生物分子与金属的键合方式等等。在医学研究上,SERS具有更独特的优点,如非破坏性和指纹式的分辨能力;对水溶液样品的分析、样品的选择性激发和信号收集等方面都显示出良好的应用前景。

纳米材料;SERS可以避开本体覆盖层的干扰,经过适当处理的金属表面仅对吸附物的第一层分子的拉曼散射有10的6次方倍的增强效应,而对第二、三层以及更远一些的分子的信号以数量级的比率下降。因此SERS可以直接对聚合物、金属界面的结构进行高灵敏度和专一性的检测,找出聚合物分子在金属表面的去向以及几何形态,扩展聚合物在金属防腐中的应用,弄清金属粘接以及集合物在表面的光化学反应等。

联用技术与传感器;SERS的高灵敏高分辨率使得它在传感方面有强大优势和潜力。表面增强拉曼技术由于其较高的检测灵敏度很早就被人们与分离技术连用。它可以作为色谱及流动注射分析的检测手段,在进行成分分离同时还可以进行各组成分的指纹鉴定,对于天然有机物、违禁药物等分析由重要意义。

艺术、考古相关领域;拉曼光谱的最显著特点在于其对样品的无损害以及峰位对激发光的不依赖性。正是这些特点,使得它作为一种光谱技术,在技术品鉴别和考古学及相关领域有着很好的应用价值。而SERS光谱技术不仅兼顾着普通拉曼的这些性质,还由于其高灵敏高分辨率等特点,因此有更大的潜在应用价值。

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