采用表面增强拉曼散射(sers)光谱检测化学污染物及对特殊化学材料的表征.doc

采用表面增强拉曼散射（SERS）光谱检测化学污染物及对特殊化学材料的表征1. 引言1928 年，印度科学家 C. V. Raman K 在 CCl4 液体中首次发现了散射光频率的改变；即当一束波长为 λ 0 的单色光照射到物质上时有极少数散射光光子与物质分子发生了能量交换（相当于非弹性碰撞） ，光子的一部分能量传递给分子或分子的部分机械能传递给光子，从而使散射光波长与入射光波长不同，称此为拉曼散射拉曼光谱主要用于分析分子组成和结构形态，被广泛应用于表面研究、吸附物界面表面状态研究，生物大分子的界面取向及构型、构象研究和结构分析等 [1]但普通的拉曼光谱由于信号很弱，其应用受到很多限制；然而 Fleischmann 等 [2] 于 1974 年第一次在吡啶吸附的粗糙银电极上观察到表面增强拉曼散射(SERS)现象，其增强效应超过了 106，从而有效突破了这一瓶颈Nie 等于 1997 年在 SCIENCE 杂志上报道了 SERS 能做到单分子检测，达到 1014-1015 的增强效果 [3]SERS 技术对检测样品无特殊要求，样品用量少，制样简单快捷，适用范围广；SERS光谱的特异性很好，每种分子都有与其自身对应的特殊的拉曼光谱；此外，由于可见光区的拉曼散射不被玻璃所吸收，而且玻璃本身的拉曼散射相对较弱，从而使得易受潮、易氧化以及腐蚀性的化合物常可封入玻璃管中进行检测。

由于 SERS 的种种优点，使其在生物、化工、食品、医药、环保等诸多方面的检测具有很大的应用潜力和前景同时，在 SERS技术的应用中，选择和制备合适的 SERS 活性基底也成为了其中的关键一环2. SERS 增强机制概述目前，应用在各个领域的 SERS 基底各种各样，且其具体增强机制不尽相同，但是主要分为两大类 [4]：物理模型( 电磁增强) 和化学模型(非电磁增强) 其中电磁增强模型又可称为表面等离子体共振模型 [5,6]，其作用是长程性的；化学模型主要为电荷转移模型 [7]和吸附原子模型 [8,9]，其作用是短程性的表面等离子体共振模型已被人们广泛接受，即当激发光的频率与等离子体振动频率吻合时（[5] D.S. Wang, M. Kerker, Phys. Rev. B 24 (1982) 1777） ，产生共振效应，表面电场增强，从而使拉曼信号得到增强但是很多 SERS 实验结果不能完全用表面等离子体共振来解释，例如在一些 SERS 体系中，吸附在金属基底表面第一层分子的拉曼信号时外层分子的 100 多倍（【42]Creighton J A，Albrecht M G，Hester R E，Matthew J A．The dependence of the intensity of Raman bands of pyridine at a silver electrode on the wavelength of excitation[J]．Chemical Physics Letters，1978，55(1) ：55-58． ） ；此外，在 Xueqin Wang（*） 研究花青染料在 Ag2O 溶胶 中拉曼信号增强机制的实验中，其激发波长为 514.5nm，与 Ag2O 溶胶的吸收峰相差很远，因此明显不能用电磁增强机制来解释。

化学增强机制中，电荷转移模型较为重要，对其接受度也较为广泛；化学增强机制与分子的极化率、几何形状及待测分子与基底的联结形式等密切相关，当入射光子的能量与电子在金属基底和吸附分子间的能量差相等时，将会产生共振，从而使体系的有效极化率增加，拉曼信号增强 [4]3. SERS 活性基底的制备3.1 金属溶胶活性基底采用化学还原法制备的纳米金溶胶和纳米银溶胶是目前实验室广泛应用的 SERS 活性基底金胶溶液的合成中，用柠檬酸钠作还原剂还原氯化金制备不同粒径的金胶溶液最为常见，其中又以 G. Frens（*）的方法较为经典；G. Frens 通过控制柠檬酸钠溶液的用量来控制金胶的粒径，其所合成的一系列金胶溶液，粒径最小的为 12nm，粒径最大的达到了150nm此外，采用硼氢化钠 代替柠檬酸三钠作还原剂制备金胶溶液的方法也较为常用，此时要在冰浴条件下加入硼氢化钠银胶溶液的制备通常是用柠檬酸钠、硼氢化钠等还原剂还原硝酸银溶液，但 Xueqin Wang（*）等则是直接将硝酸银溶液 NaOH 溶液等体积混合制备得到了氧化银溶胶，并将其成功应用到了 SERS 实验中化学还原法制备的金属溶胶操作简单，成本低，但稳定性和可重复性都不是很好，而且制备过程中会引入柠檬酸离子和硼酸离子等杂质离子，采用激光烧蚀法可制得化学纯净的金属溶胶（**） ，但成本很高，石辉（*）等则用激光烧蚀法制得了化学纯净的 Au 片。

3.2 金属电极活性基底Fleischmann 就是在银电极上首次发现了吡啶分子的 SERS 现象，现在较常用的 SERS金属电极基底一般为经电化学粗糙化处理的金电极、银电极、铜电极，其它金属电极的制备也在研究之中3.3 金属岛薄膜活性基底金属薄膜活性基底主要是采用真空沉积、电化学沉积等各种沉积技术在玻璃、云母和金属等表面，形成 SERS 活性的纳米簇、银镜、岛膜 （周光明，SERS 中的活性基底, 化工刊），由此衍生出的自制薄膜基底也很多，Wenlong Cheng（ *）就利用朗缪尔- 布劳吉特膜合成了一种分形网络状金纳米粒子，这种具有特殊几何形状的纳米金作为 SERS 活性基底的潜力很大4 SERS 光谱的应用4.1 SERS 光谱检测化学污染物物理增强和化学增强的特点（强弱） 实验室研究和实际样品检测 灵敏度 光谱分析 理论计算4.1.1SERS 光谱在食品安全检测方面的应用目前，表面增强拉曼技术在食品安全检测领域的应用较为热门，这方面的研究和应用实例也很多，虽然现在检测的污染物种类不是很多，但很多成功的实验室研究预示着SERS 技术在这方面有极大的应用潜力此外， SERS 技术应用在这方面时还往往要和 密度泛函理论（DFT ）计算，偏最小二乘回归（PLS）模型等数据处理和分析技术相结合。

应用在食品安全检测领域的 SERS 活性基底很多，而在诸多活性基底中，胶体纳米粒子的使用是最多的 [10]，而银胶又因其在近红外区有宽幅的等离子体共振，且稳定性高、易制备，应用也最为普遍 [11]Z.L. Zhang[14]等研究了以银溶胶为基底的 SERS 技术对致癌物甲基黄（DAB）进行痕量检测的可行性，他们将 DAB 单分子联结在银溶胶中的银粒子上，获得了其 SERS 光谱，从 SERS 光谱中可观察到光谱扩散和振动谱线强度波动等现象，推断这其中既有电磁增强效应又有化学增强效应，同时对光谱强度波动的统计分析表明一些特殊的拉曼波段具有多峰分布，这与单分子检测的鉴定结果相符而所测样品中，DAB 分子的浓度达到了 1×10-10mol/L，灵敏度很高Z.L. Zhang 的这些研究表明，SERS 技术完全可用于 DAB 分子和其它偶氮染料的痕量检测Aiping Zhang 等 [15]则以甲基橙为例研究了染料分子在银溶胶中与纳米银粒子的联结方式及纳米粒子不同电性对其联结方式的影响Aiping Zhang 用化学还原法同时制备了正电性银溶胶和负电性银溶胶，然后再将甲基橙分别连结在这两种粒子表面，对其紫外-可见光谱，荧光性和表面增强拉曼光谱分别进行了比较分析。

分析结果表明染料分子通过不同的相互作用以不同的方式连结在这两种银粒子表面，从而在光谱中产生了不同的现象在正电性银溶胶中，甲基橙通过其磺酸离子与银表面垂直联结，而在负电性银溶胶中，甲基橙分子与银粒子之间的相互作用很弱，其分子平面几乎与银表面平行Si 等 [16] 则用电解法代替昂贵的激光烧蚀法制得了聚乙烯醇（PVA）银溶胶，并以此为基底检测了 2.5×10-5mol/L 的甲基橙，其所获得的 SERS 光谱与密度泛函理论（DFT）计算结果吻合Rukiye Sanci[18]也制备了一种新颖的 SERS 活性基底，并获得了结晶紫（CV） 、亮甲酚蓝（BCB）和苯甲酸（BA）的 SERS 光谱这种活性基底由银纳米棒在玻璃表面直接生长形成，无需任何连接分子，而银纳米棒的合成过程就是以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）介导的纳米种子的组装过程这种 SERS 体系也是利用了局域表面等离子体共振（LSPR ）来增强拉曼信号的，属电磁增强型实验最后通过结晶紫（CV） 、亮甲酚蓝（BCB）和苯甲酸（BA ）的 SERS 信号来评价这种表面包裹着银纳米棒的基底的应用效果，其中对亮甲酚蓝的检测浓度可达到 1×10-10mol/L，如果采用一些改进处理，如增加银种子溶液中 AgNO3 的浓度及一些烃类物质的量，还可进一步增强SERS 信号。

该研究得到的高质量 SERS 图谱表明这种活性基底对拉曼散射信号具有十分有效的增强作用，其用于 SERS 进行生化分析、检测的潜力也很大综合看来，以银溶胶作 SERS 活性基底灵敏度较高，在染料分子的检测中应用也较多，不过其影响因素随着银胶体系的不同而不同，虽然大部分研究在实验室中得到了较高的灵敏度和增强效果，但其重现性不佳，有些银胶体系的制备虽然有创新之处，但方法较为繁琐，这些都会使其在实际应用中受到限制除采用银溶胶外，Yang 等 [13] 则是采用经过电化学粗糙化处理的银电极作为 SERS 活性基底检测 R6G这种基底的增强机制主要为化学增强机制，温度稍微升高引起的 SERS增强效应的提高，主要是因为相应化学增强效应的提高实验中发现只要稍微提高温度，SERS 的增强效果就会显著增加，当温度从 25℃升高到 50℃，SERS 增强效应逐渐提高，而当温度从 50℃升到 60℃，其增强效应逐渐降低联结在 SERS 活性基底上的 R6G 分子的表面增强拉曼光谱表明当体系温度为 50℃时其强度是 25℃时的 7 倍，而且这种现象是可逆的，当基底温度从 50℃重新降至 25℃时，R6G 的 SERS 强度也降至原来的水平。

用于SERS 研究的所有不同目标分子都有这些现象采用纳米金作 SERS 活性基底进行检测的研究相对较少，但也不乏成功应用的例子Lili He[17]参照 Wenlong Cheng 等人合成纳米金的过程和原理，先用柠檬酸钠还原法合成粒径 30-50nm 的金胶溶液，再以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）介导制备了一种碎片状纳米金基底，并将其应用于食品污染物结晶紫（CV）和孔雀石绿（MG）等的表面增强拉曼光谱检测实验中，Lili He 还研究了使用表面增强拉曼光谱检测 CV、MG 及其混合物（1：1）的可行性研究结果表明，在这种碎片状纳米金基底上，SERS 光谱能够快速准确地显示出 CV、MG 及其混合物的特征，并加以区分，其增强因子达到了 4 × 107，对这些染料分子的最低检测浓度达到了 0.2ng而这种碎片状结构的纳米金就是利用金属颗粒表面的等离子体共振对拉曼信号的巨大增强作用，属于典型的电磁增强虽然这项研究仅限于对污染物标准品的检测，但以这种碎片状纳米金为基底的 SERS 技术作为一种对污染食品样本的污染物进行痕量检测的快速、高灵敏度检测方法具有巨大的潜力Nikhil 等 [12]在传统的金胶、银胶制备基础上进行了创新，制备了一种混合体系。

Nikhil制备了一种粒径 12-200nm 的稳定的银包裹的金纳米粒子水溶胶，并以此作为 SERS 活性基底对有机染料罗丹明 6G（R6G ）进行检测分析这种特殊的纳米粒子包含一个 12nm 的金核和 0-100nm 的银壳实验表明其 SERS 的灵敏度取决于银壳的厚度和纳米粒子的大小，应用于 SERS 技术上的最佳粒径介于 25-50nm以这些银包裹的金纳米粒子作 SERS 活性基底可检测到 5×10-11mol/L 的 4-吡啶硫醇和 5×10-10mol/L 的 R6G，其 SERS 增强机制既有化学因素，。