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表面增強拉曼散射光譜技術(shù)
隨著科技的飛速發(fā)展，光電應(yīng)用與材料領(lǐng)域正不斷涌現(xiàn)出令人矚目的新知識和技術(shù)與新應(yīng)用，為響應(yīng)國家號召，作為光電行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，北京卓立漢光儀器有限公司積極承擔社會責任，特別策劃并推出《名家專欄》系列技術(shù)與應(yīng)用新聞專欄，該專欄匯聚激光物理、拉曼光譜、等離子體、電化學、量子理論及激光誘導(dǎo)擊穿光譜等多領(lǐng)域系列，全系列專欄共計36篇，深入剖析前沿科技，為讀者帶來專業(yè)而豐富的知識盛宴，為廣大科研工作者提供一個交流與學習的平臺。《名家專欄》拉曼光譜系列專欄第二期，邀請四川大學原子與分子物理研究所雷力老師、王揚斌老師，對SERS現(xiàn)象的產(chǎn)生、增強機制和應(yīng)用做詳細分享。
SERS現(xiàn)象
由于拉曼信號本質(zhì)上很弱且常常受到其它信號的干擾和削弱，科學家們不斷探索使拉曼信號更強和更容易檢測的方法。表面增強拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering，簡稱SERS）就是其中一種，它利用了具有等離子體性質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)的光學特性，使得位于等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)附近的目標分子的拉曼信號顯著增強。SERS技術(shù)提高了拉曼光譜的靈敏度，通過增強拉曼散射和熒光猝滅（消除熒光背景）,可以將拉曼信號提高近1010-15倍，等離子體納米材料的極高靈敏度、分子特異性以及拉曼光譜的協(xié)同作用使SERS成為一種靈敏、快速、無損、強大的分析技術(shù)。由于其超高靈敏度和選擇性，SERS在表面和界面化學、催化、納米技術(shù)、生物學、生物醫(yī)學、食品科學、環(huán)境分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
基本上，SERS分析吸附在特制金屬表面上的分子。這種金屬表面應(yīng)具有等離子性能：在金屬與介電材料（如空氣）的界面上，激光的入射光與金屬的自由電子相互作用，產(chǎn)生共振相互作用，產(chǎn)生電子的振蕩密度波，稱為等離子體。
SERS現(xiàn)象的產(chǎn)生需要滿足以下兩個條件:
(1) SERS活性基底。通常情況下，采用具有粗糙結(jié)構(gòu)的Au、 Ag等貴金屬納米材料或TiO2、Cu20和MoS 2 等半導(dǎo)體材料作為增強基底；
(2) 基底與探針分子間的距離非常小，一般小于 10 nm。
SERS增強機制
自1974年發(fā)現(xiàn)SERS現(xiàn)象以來，其增強機制至今還尚未明確統(tǒng)一，存在不少爭議。目前，電磁增強機制（EM）和化學增強機制（CM）是研究者較為認可的兩種增強機制。其中EM對整個SERS增強效應(yīng)起主導(dǎo)作用，EF增強因子可達105 - 106倍，而來自CM的貢獻僅有10 - 103倍。電磁增強有兩個方面的貢獻：局部場增強和再輻射增強。電磁增強與分子類型無關(guān)，而依賴于基底及其粗糙度。化學增強機制也被稱為電荷轉(zhuǎn)移增強機制，主要源于探針分子與基底間的電荷轉(zhuǎn)移引起分子的電子結(jié)構(gòu)的改變，促進分子極化率的提高，從而增大拉曼散射信號。其增強能力取決于分析物自身的電子特性，通過誘導(dǎo)偶極子使分子的極化率增大，因此，化學增強機制比電磁場增強機制的貢獻小很多。
SERS的應(yīng)用
單分子檢測：SERS技術(shù)可以實現(xiàn)超低濃度溶液和超薄薄膜中的分子檢測，*近在表面科學，分析化學，納米技術(shù)等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。
化學及工業(yè)：表面增強拉曼光譜是研究電極化學界面結(jié)構(gòu)、吸附、反應(yīng)的一種重要譜學工具，作為一種靈敏度很高的表征手段，SERS因為能直接研究物質(zhì)在膠體上的吸附行為而得到廣泛的應(yīng)用。
生物、醫(yī)學體系：SERS作為一種增強拉曼光譜技術(shù)，在研究生物分子的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象方面發(fā)揮著重要作用，大量的研究人員利用SERS解決了生物化學，生物物理和分子生物學中的許多問題，包括提供分子的特殊基團與界面的相互作用、生物分子與金屬的鍵合方式等等。基于SERS的生物測定法可以診斷癌癥、心血管疾病和傳染病等。
納米材料：SERS可以避開本體覆蓋層的干擾，直接對聚合物、金屬界面的結(jié)構(gòu)進行高靈敏度和專一性的檢測，找出聚合物分子在金屬表面的去向以及幾何形態(tài)，擴展聚合物在金屬防腐中的應(yīng)用，弄清金屬粘接以及集合物在表面的光化學反應(yīng)等。
聯(lián)用技術(shù)與傳感器：SERS的高靈敏高分辨率使得它在傳感方面有強大優(yōu)勢和潛力。可以作為色譜及流動注射分析的檢測手段，在進行成分分離同時還可以進行各組成分的指紋鑒定，對于天然有機物、違禁藥物等分析有重要意義。
作者：雷力，常雪，王揚斌
作者單位：四川大學原子與分子物理研究所雷力，四川大學原子與分子物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，主要開展高壓譜學研究?，F(xiàn)任中文核心期刊《光散射學報》常務(wù)副主編、編輯部主任，《高壓物理學報》編委，中國物理學會光散射專業(yè)委員會委員，中國化學學會高壓化學專業(yè)委員會委員。進一步了解可百度/必應(yīng)搜索關(guān)鍵詞：“廣義壓強”、“熊貓氮”，“高壓耦聯(lián)”、“高壓樂隊”。
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