第1章 SERS与金属纳米结构
近年来，重大传染疾病、环境污染、食品药品安全等问题日渐凸显，暴发日益频繁，新型冠状病毒感染疫情阴云笼罩全球，埃博拉疫情肆虐非洲，国内多个水域遭到严重污染，食品药品安全问题层出不穷，这些重大医疗卫生事件严重威胁着人们的生命安全和身体健康，造成了极大的社会恐慌和难以估算的经济损失。及时有效的生化检测，可以为后续处理提供可靠的支撑，挽救生命，维持社会稳定，减少人员和经济损失。此外，在军事应用领域，实时的战场生态环境监测，航天器、潜艇等大型密闭设备的病原微生物监控，生化反恐等多个方面对高灵敏度实时生化检测也有强烈的需求。
现有的检测技术可以在实验室内对生化待检测物进行定性分析和定量检测。但是，当这些技术应用于现场检测时，存在检测灵敏度低、检测时间长、设备体积大等缺点。例如，对于致病细菌的检测通常采用细菌培养的方法，而这种方法需要两到三天的时间，不具备实时性。利用色谱仪、质谱仪等仪器进行检测可以显著缩短检测时间，但是这些检测方法操作复杂，设备体积大，不便于携带。荧光检测技术在现场检测中应用广泛，但它存在荧光淬灭、荧光漂白等固有缺陷。因此，需要一种灵敏度高、特异性好、检测时间短、设备便于携带的现场检测技术。
1.1 SERS效应
当光在介质中传播时，大部分光透射而过，但由于介质的不均匀性，部分入射光与介质中的分子原子发生相互作用，从而使光的入射方向发生改变，向周围方向发散，产生光的散射，如图1.1所示。当入射光的光子与介质中的分子原子没有发生相互作用时，光子传播方向不发生改变，光的频率不发生改变，发生光的透射。当入射光的光子与介质中的分子原子发生相互作用时，大部分光子的传播方向会发生变化，而散射光的频率没有发生改变，发生光的瑞利散射；但也有小部分光子不但传播方向发生改变，而且散射光的频率发生改变，发生光的拉曼(Raman)散射。其中由于入射光的光子与介质中的分子原子发生的相互作用不同，拉曼散射光的频率发生改变，既有频率增大，也有频率减小。但发生拉曼散射的光子数量较少，拉曼散射光的强度很微弱，为总入射光强度的10–10～10–6。
图1.1 光的散射过程示意图
1.1.1 拉曼散射效应
1923年，Smekal研究光的散射理论时提出，在光的散射过程中，可能存在非弹性的散射光，如果改变物质的分子状态，那么入射光与物质分子相互作用后可以改变散射光的频率，这些改变是被照射样品分子振动的特征[1]。1928年，Raman在进行苯的光散射实验时，用一个大凸透镜将太阳光聚焦到一瓶苯溶液中，发现经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入苯溶液之后，散射光中除了入射的蓝光外，还观察到了很微弱的绿光。Raman认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带[2]。Raman经过分析发现，在散射光中除有与入射光频率相同的谱线外，光和分子相互作用时引起每个分子做受迫振动从而产生散射光。其中，散射光的频率和入射光的频率相同的散射称为瑞利散射效应，入射光频率发生位移且强度极弱的散射称为拉曼散射效应。
拉曼散射效应可以使分子产生拉曼光谱，是研究分子结构的主要手段之一。但与红外光谱相比，由于拉曼散射效应过于微弱，拉曼光谱强度很低，影响了拉曼光谱分析的灵敏度。激光的出现使拉曼光谱成为研究分子结构和各种物质微观结构的重要工具。基于激光的拉曼光谱仪可以有效增强拉曼光谱强度，提高检测分辨率，拓展拉曼光谱的应用范围。拉曼光谱由于具有与红外光谱不同的选择性，常常作为红外光谱的必要补充配合使用，可以更完整地研究分子的振动和转动能级，更好地解决分子结构分析问题。拉曼光谱分析无需复杂的样品制备工艺，不受样品水分的干扰，可以获得分子结构方面的信息，特别适合生物体系的研究，日益受到研究者的重视，具有深远的应用潜力。
1.拉曼散射效应的产生原理
理论上，拉曼散射可以看成入射光子与介质中分子相互作用的结果。在散射过程中，入射光子湮灭，而散射光子产生，同时分子从原来的本征能级跃迁到发生拉曼散射后的本征能级。按照电磁场分子体系相互作用的量子理论，在一级近似下当分子在本征能级间跃迁时，只能伴随电磁波一个波形内的一个光子的变化。但在拉曼散射过程中，当散射分子从一个本征能级向另一本征能级跃迁时，电磁场内伴随着两个光子的变化，即入射光波形内的一个光子减少，散射光波形内的一个光子增加，因此可以把它看成二阶过程：在过程的**阶段，散射分子先吸收一个光子并离开它所处的初始本征能级；在过程的第二阶段，分子发射一个光子并跃迁到新的本征能级上。对于这个二阶过程，应该将整个体系作为一个统一的整体加以考虑。
量子理论的基本观点是把拉曼散射过程看成光子与分子之间发生能量交换改变了光子的能量非弹性相互作用过程。当入射的光子与分子相互作用时，在弹性相互作用过程中，光子与分子无能量交换，它们的频率保持不变，产生瑞利散射光；在非弹性相互作用过程中，光子与分子有能量交换，光子转移一部分能量或者从分子中吸收一部分能量，频率从而发生改变，产生拉曼散射光。非弹性相互作用改变的能量只能是分子两能级之间的能量差。当光子把一部分能量交换给分子时，光子就以比入射时小的频率射出，形成斯托克斯线，同时散射分子得到的能量转变成分子的转动或振动能量。反之，当光子从散射分子中吸收一部分能量时，它将以较高的频率散射出去，形成反斯托克斯线。
如图1.2所示，当频率为的入射光照射分子时，分子获得光能后可以跃迁到一个虚能级上，再返回到基态，产生频率仍为的瑞利散射光。如果频率为的入射光使处于振动基态的分子激发到虚能级，那么分子从入射光中得到的能量为，分子能量为。当该分子返回**振动激发态时，能量要降到，产生频率为的斯托克斯线，其中，称为拉曼位移。当频率为的入射光使处于振动激发态的分子激发到另一个虚能级时，分子从入射光中得到的能量同样为，那么分子能量就变为。当该分子返回振动基态时，能量要降到，则会产生频率为的反斯托克斯线。如果考虑更多能级上的分子散射光子，则可产生更多的拉曼谱线，当这些能级的间隔不相等时，产生的各拉曼散射线相对于入射谱线的频移也是不同的。
四氯化碳的散射光谱如图1.3所示。在散射光谱中，瑞利线的频率没有发生改变，频率位移为0，位于光谱图中央位置。因为拉曼散射的光强与瑞利散射相比非常微弱，所以瑞利线的强度与拉曼谱线相比很强。位于瑞利线低频侧位置，拉曼位移为负值的谱线是斯托克斯线；位于瑞利高频侧位置，拉曼位移为正值的谱线是反斯托克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼光谱。因为处于振动激发态能级的分子数目要少于处于振动基态能级的分子数目，所以反斯托克斯线的强度要小于斯托克斯线。随着温度的上升，处于振动激发态能级的分子数目会有所增加，反斯托克斯线的强度也会随之增大。
2.拉曼散射效应的应用及其特点
拉曼散射效应是光与物质相互作用的一种形式，其实质是光子与散射物质的分子之间发生非弹性碰撞，从而使入射光子的能量和动量都发生改变，散射光子中携带有散射物质分子结构的信息，主要是分子振动和转动信息，因此拉曼光谱在研究物质分子结构中可以发挥很大的作用。拉曼散射与构成物质的原子分子本身的微观结构有关，通过对拉曼光谱的研究可了解物质原子分子的结构特性。
同一种物质，随着入射光频率的改变，拉曼谱线的频率也发生改变，但拉曼位移保持不变，拉曼位移与入射光的频率无关，仅与物质的振动和转动能级有关。不同的物质有不同的振动和转动能级，因此拉曼位移不同。散射光与入射光能量的差异反映了散射介质中分子的振动及转动状态的变化，研究拉曼谱线的数目、拉曼位移和谱线强度等参量将可以得到丰富的有关分子结构的信息。
在利用拉曼光谱进行检测的过程中，可以将待测物质的整个谱图当作“分子指纹”，与标准拉曼光谱做对照。一个分子的拉曼光谱是由各原子基团的特征峰组成的，反过来通过这些特征峰确定原子基团，可以分析出分子的化学组成。确定每个特征峰的归属常常是烦琐和困难的，尤其对高分子材料更是如此。一种简单的方法是将测得的未知物的整个拉曼光谱与已知拉曼光谱相对照，如果完全吻合，就可直接确定分子的归属。理论上特征峰的位置和强度都必须吻合，但实际上主要看峰的位置。而峰强度常常难以一致，它与样品的厚度或浓度有关，在某种程度上还取决于所用仪器的种类。
拉曼光谱检测法具有很多优点：①在很多情况下样品不需要处理，可直接测定；②特别适合水溶液的研究，因为水的拉曼散射极弱，只在1640cm–1附近有一个弱谱带。
但拉曼光谱检测法也存在一些局限性：①拉曼散射强度较低，包括瑞利散射在内的分子散射总强度只是入射光强的十万分之一，而其中又仅有约1%对拉曼光谱有贡献；②高分子材料的拉曼光谱容易受样品中杂质荧光的困扰。
拉曼光谱检测法经过不断研究改进，出现了表面增强拉曼散射光谱技术、共振拉曼光谱技术等拉曼分析技术，使得拉曼光谱在表面科学中的应用迅速开展。
1.1.2 SERS基础知识
1.SERS效应的发现
1974年，研究人员*次以吡啶作为银电极上的拉曼活性物质进行了拉曼散射实验。为了增强散射强度，对平滑银电极表面进行了多次氧化还原处理，以求电极粗糙化的表面可以吸附更多的吡啶分子，结果获得了吡啶分子的高强度拉曼光谱信号，但是他们并没有意识到这是一种新的现象，而是简单地将所观察到的现象归因于较大的吸附表面导致的吸附分子数目增加[3]。
1977年，该实验被复现，并通过详细实验验证和理论计算发现，与溶液中同数量吡啶的拉曼散射信号相比，吸附在粗糙银电极表面几个分子层的吡啶分子所产生的拉曼散射比正常拉曼光谱增强了约6个数量级[4]。但即使粗糙的银电极比不粗糙的银电极表面积增加了10倍，也无法解释拉曼散射增强约6个数量级的实验事实。后来被证明这是与粗糙表面相关的表面增强效应，被命名为表面增强拉曼散射。
2.SERS效应的应用
SERS效应的发现轰动了表面科学学术界，随后在其他粗糙表面也观察到了SERS现象。SERS能避免溶液中相同物种的信号干扰，获取高强度的表面分子拉曼信号。
SERS是一种非常有效的探测界面特性和分子间相互作用、表征表面分子吸附行为和分子结构的工具。SERS由于具有探测灵敏度高、分辨率高、水干扰小、可猝灭荧光、稳定性好及适合研究界面等特点，广泛应用于吸附物界面表面状态研究以及生物大分子的界面取向、构型、构象研究和结构分析等。SERS检测技术常用于化学检测的痕量分析、蛋白质和核酸或细菌的测定，在其中起着越来越重要的作用，逐渐成为生物化学分析领域有力的研究手段，并在痕量分析乃至单分子检测、化学及工业、环境科学、生物医学体系、纳米材料以及传感技术等方面的研究中得到了广泛应用。
3.SERS效应的特点
SERS检测技术的优越性表现在：①能够提供大量关于分子的微观结构信息，获得的分析物分子的SERS光谱信息是唯一的；②分析物分子在基底表面构型的微小改变都可以通过其SERS光谱中相应振动峰的拉曼位移变化而检测到；③SERS光谱是非常灵敏的检测手段，可获得痕量分子的结构信号，甚至可以达到单分子检测水平；④由于水的SERS信号非常弱，SERS技术可以用于水体环境中的各种生物学研究中，而无需考虑水分子振动的影响；⑤在SERS光谱中，荧光的干扰可得到有效的抑制。
SERS技术也存在一定的局限性：①SERS基底只能局限于几种能激发表面等离子体共振效应的材料，如金、银、铜等；②基底材料只有经过表面粗糙化处理，具有50～200nm的粗糙度，才能显示出SERS效应；③SERS定量分析的结果不好，SERS基底的均匀性不一，其SERS检测的稳定性不好，增强因子存在较大的差异；④分析物吸附在基底表面上需要分子识别试剂，有可能产生高背景干扰信号，影响分析物分子的SERS信号检测。
1.1.3 SERS增强机理
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