表面增强拉曼光谱
表面增强拉曼光谱
表面增强拉曼光谱引言表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy，简称SERS）是一种基于表面增强效应的光谱技术，可以提高拉曼光谱的灵敏度和检测限。
在SERS技术中，分子与金属纳米颗粒表面的局域表面等离激元共振耦合，从而大大增强了拉曼信号的强度。
本文将详细介绍SERS技术的原理、应用和未来的发展前景。
原理SERS技术的实质是在金属纳米颗粒的表面，通过局域表面等离激元共振耦合效应，使分子的拉曼散射信号增强。
这种共振耦合通过增加局部电场使分子的拉曼散射截面积因子（scattering cross section）增加，并且由于表面增强效应，分子周围的电场引起其拉曼散射的增加。
这种增强效应与金属纳米颗粒的形状、大小、间距和金属纳米颗粒与分子之间的相互作用有关。
实验方法SERS实验通常使用激光作为光源，经过一个光栅或者光束分离镜，使得激光聚焦到样品表面。
此外，还需使用金属纳米颗粒作为增敏基质。
在实验过程中，样品可以是液体、固体或气体。
SERS光谱测量通常使用拉曼散射光谱仪进行。
与普通的拉曼光谱仪相比，SERS光谱仪需要更高的灵敏度和稳定性。
常用的金属纳米颗粒包括银、金、铜等，具体的选择取决于实验所需的增强效果和波长。
应用SERS技术在许多领域有着广泛的应用，包括化学分析、生物医学、环境监测等。
在化学分析领域，SERS能够提供准确的分子结构信息，可用于表征和鉴定化合物。
对于非常低浓度的物质，SERS技术是一种极其敏感的检测方法。
在生物医学领域，SERS被广泛用于生物分子的检测、肿瘤标记物的检测以及药物递送系统的研究。
由于SERS技术具有高灵敏度和高特异性，可以用于早期癌症诊断和治疗过程中药物的监测。
在环境监测领域，SERS技术可用于检测和监测环境中的微量有毒物质，例如水中的重金属离子或化学污染物。
发展前景虽然SERS技术已经取得了巨大的成功，并在许多领域得到了广泛应用，但仍然存在一些挑战需要克服。
表面拉曼增强光谱(SERS)技术 ppt课件
1.1 Raman与SERS
化学增强（CM enhancement） • 当分子化学吸附于基底表面时, 表面、表面吸附原子和其它共吸附物种
等都可能与分子有一定的化学作用， 这些因素对分子的电子密度分布 有直接的影响，即对体系极化率的变化影响其Raman强度。 化学增强主要包括以下3类机理： • 由于吸附物和金属基底的化学成键导致非共振增强； • 由于吸附分子和表面吸附原子形成表面络合物(新分子体系)而导致的共 振增强； • 激发光对分子-金属体系的光诱导电荷转移的类共振增强。
2130 cm-1n as来自 C-N7196 cm-1
n as, S-Ag r i.p. S-C-N
2020/4/25
2153 cm-1
n as, C-N
8
1.1 Raman与SERS
1977年，Van Duyne和Creighton 粗糙表面相关的表面增强效应
1974年 Fleischmann 等人
• 避雷针效应 由于尖端效应，相对电荷密度高 106-1010 倍 SERS效应的主要来源
1.1 Raman与SERS
电磁增强（EM enhancement）影响因素
材料种类 粒子形貌 相对位置
Thomas, R. and R. Swathi (2012). The Journal of Physical Chemistry C 116(41): 21982-21991.
1.1 Raman与SERS
化学增强（CM enhancement）影响因素
目标分子与探针的作用 能级匹配 激光波长，能量 吸光性能与波长选择
杂原子，特殊官能团；石墨烯 电荷转移， 光吸收，光漂白 共振增强，荧光
• 物理增强（强） LSPR: 入射光频率与自由电子的振荡频率一致 选择性共振吸收；局部场大幅增强
表面增强拉曼光谱的基本原理和应用
表面增强拉曼光谱的基本原理和应用表面增强拉曼光谱（Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS）是一种先进的拉曼光谱技术，能够对化学物质进行高灵敏度和高分辨率的表征。
SERS在材料科学、化学、生物学等领域得到广泛应用。
本文将介绍SERS的基本原理，示例其应用以及未来可能的发展趋势。
一、SERS的基本原理SERS是一种表面增强光谱技术，它利用特定的纳米表面结构（称为SERS基底）增强Raman散射信号，进而实现对分子结构和化学键信息的高灵敏度和高分辨率检测。
SERS的基本原理是将分子置于金属表面的“热点”位置，而这些热点通常是金属表面结构的几何形态特征（如孔洞、纳米颗粒、纳米线等）所导致的。
金属表面和分子之间的相互作用被称为表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance），这种相互作用能够在分子表面产生一个电磁场增强效应，大量提高分子Raman信号的强度。
而这个效应的大小是与金属表面形态、材料种类、入射光强度、激发波长等因素有关。
SERS的显著优势是能够检测微量分子，因此被广泛应用于化学物质检测。
例如，SERS可以检测到化学物质的痕量，包括药物、污染物和微生物等。
此外，SERS还可以对分子在空间和时间尺度上的行为进行分析，帮助科学家了解化学反应、催化机制等问题。
二、SERS的应用1. 化学物质检测SERS已被广泛应用于化学物质检测。
例如，SERS可以检测到二氧化碳、二硫化碳、氯仿、水中的有机物等化学物质。
由于SERS技术能够在极低浓度下检测到目标物质，因此非常适用于环境监测、食品检测和生物诊断等领域。
2. 生物医学检测SERS技术可以用于生物医学检测，例如检测癌症标志物、病原体和细胞等。
SERS还可以帮助科学家研究生物分子在细胞膜和基质中的相互作用。
SERS在肿瘤、心血管、神经学等领域的研究也有很大的发展空间。
3. 材料表征SERS技术也可以用于材料表征，例如检测材料中的缺陷、化学键、晶格结构等。
表面增强拉曼光谱综述
表面增强拉曼光谱综述表面增强拉曼光谱（Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）是一种强大的分析技术，用于提高拉曼散射的灵敏度。
这种技术自1974年被发现以来，已经成为化学、物理、生物学和材料科学领域的重要工具。
以下是对SERS的一个综述：1. 基本原理●拉曼散射：基于分子振动能级变化的非弹性散射过程，可提供分子结构信息。
●表面增强机制：将样品放置在特殊的金属表面（通常是纳米结构的银或金）上，可以显著增强拉曼信号。
2. 增强机制●电磁机制：最主要的机制，涉及金属纳米结构上的局域表面等离子体共振（LSPR），导致拉曼散射信号的强烈增强。
●化学机制：与样品和金属表面间的化学作用有关，可能导致电子转移，影响拉曼散射的强度。
3. 材料和方法●金属纳米结构：银和金是最常用的材料，但也有使用铜、铂等其他金属。
●制备方法：包括化学还原法、电化学沉积、纳米刻蚀技术等。
4. 应用●化学分析：用于检测极低浓度的化学物质，包括环境污染物、食品添加剂、药物成分等。
●生物医学：在细胞成像、疾病诊断、生物标记物检测等方面的应用。
●材料科学：用于研究纳米材料、催化剂、能源材料等。
5. 发展趋势和挑战●灵敏度和选择性的提高：研究人员致力于提高SERS的灵敏度，以检测更低浓度的样品。
●标准化和可重复性：由于SERS受到许多因素的影响，实验结果的可重复性是一个挑战。
●新材料和新技术：包括二维材料、异质结构的探索等。
6. 未来展望SERS作为一种高度灵敏的分析技术，有望在环境监测、疾病早期诊断、新材料开发等领域发挥更大作用。
随着纳米技术和光谱学的不断发展，SERS技术的应用范围和效率都有望进一步提升。
表面增强拉曼光谱
在生物分子检测中的应用
蛋白质结构分析
表面增强拉曼光谱可以用于蛋白质二级结构的分析，有助于理解 蛋白质的功能和生物学意义。
生物分子相互作用研究
通过观察生物分子间的拉曼光谱变化，可以研究生物分子间的相互 作用和识别，有助于发现新的药物靶点和生物标记物。
生物分子定量分析
表面增强拉曼光谱可以实现生物分子的高灵敏度检测和定量分析， 有助于疾病诊断和治疗监测。
表面增强拉曼光谱
• 介绍 • 表面增强拉曼光谱的实验方法 • 表面增强拉曼光谱在生物医学中的应
用 • 表面增强拉曼光谱在环境科学中的应
用 • 表面增强拉曼光谱的未来发展
01
介绍
什么是表面增强拉曼光谱？
表面增强拉曼光谱（Surface Enhanced Raman Spectroscopy，简称SERS）是一种先进的分子光谱技术，通 过在金属表面上的特定结构或粗糙表面上的金属纳米结构，实 现对拉曼散射的显著增强。
在环境科学领域，它可以用于 污染物和环境毒物的检测和分 析。
02
表面增强拉曼光谱的实验方法
实验设备与材料
01
02
03
拉曼光谱仪
用于检测拉曼散射信号， 通常配备有激光光源和光 谱检测系统。
表面增强剂
如金属纳米颗粒或金属薄 膜，用于增强拉曼散射信 号。
样品
需要进行表面增强拉曼光 谱测定的物质，可以是分 子、纳米材料或生物样品 等。
实验结果分析
信号增强效果评估
通过对比增强前后的拉曼光谱 信号强度，评估表面增强剂的
增强效果。
分子结构分析
根据拉曼光谱的特征峰位置和 峰形，分析待测样品的分子结 构。
分子相互作用研究
通过分析拉曼光谱的变化，研 究分子与表面增强剂之间的相 互作用。
表面增强拉曼光谱的原理与应用
表面增强拉曼光谱的原理与应用概述：表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy，简称SERS）是一种利用金属纳米结构表面增强共振的拉曼散射信号的方法。
本文将详细介绍SERS的原理和其在化学、生物、材料等领域的应用。
一、SERS的原理SERS的基本原理源于两个关键因素：共振增强效应和电场增强效应。
1. 共振增强效应金属纳米结构的表面存在共振精细结构，当激光与共振精细结构相匹配时，可以实现高度增强的拉曼散射峰。
这种共振增强效应是通过表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）实现的。
2. 电场增强效应金属纳米结构的表面存在极强的电场增强效应。
当分子与金属表面接触时，分子中的电荷会受到金属表面局域电场的强烈影响，从而导致拉曼散射信号的增强。
这种电场增强效应可以极大地提高拉曼散射信号的灵敏度。
二、SERS的应用领域SERS作为一种高灵敏度的分析技术，已经在多个领域得到了广泛应用。
以下是SERS在化学、生物和材料领域的应用。
1. 化学领域SERS可以用于分子结构鉴定、化学反应动力学研究和分子吸附等方面。
通过SERS技术，可以获得很高的分子识别能力，从而在化学反应的机理研究中发挥重要作用。
2. 生物领域SERS广泛应用于生物分子的检测、生物传感和生物成像等方面。
由于SERS技术对生物分子的高灵敏度，可以用于检测低浓度的蛋白质、DNA和药物等生物分子，有助于生物医学研究和临床诊断。
3. 材料领域在材料科学领域，SERS可以用于表面增强光催化、纳米材料的表征和表面等离子体共振等方面的研究。
SERS技术不仅可以提供材料的化学组成信息，还可以揭示材料的结构和光学性质，对材料的表征提供了有力的手段。
三、SERS的发展前景与挑战虽然SERS在分析领域具有广泛的应用前景，但仍然面临着一些挑战。
首先，SERS在实际应用中需要制备高度可重复和稳定的金属纳米结构，这对技术的推广应用提出了要求。
半导体纳米材料的表面增强拉曼光谱研究
半导体纳米材料的表面增强拉曼光谱研究半导体纳米材料是一种在当今科技领域中备受关注的研究对象。
它具有很多优点，如小体积、高表面积、良好的光电性能等。
随着科技的发展，半导体纳米材料的研究和应用正呈现出越来越广泛的前景。
在半导体纳米材料的研究中，表面增强拉曼光谱技术是一种非常重要的手段。
本文将从表面增强拉曼光谱技术的原理、半导体纳米材料的应用以及未来发展方向等方面进行探讨。
一、表面增强拉曼光谱技术的原理表面增强拉曼光谱技术是将待测样品放置于金属表面上，通过金属表面的局域化表面等离子体共振现象，增强样品的拉曼信号。
表面增强拉曼光谱技术主要是基于两个原理，即电磁增强与化学增强。
在电磁增强机制中，金属表面的等离子体振荡与光子的激发相结合，导致高强度的电磁场在金属表面的纳米孔隙中形成，使待测样品的拉曼信号得到增强。
而化学增强机制则是通过金属表面上的活性位点与待测样品之间的化学反应，从而实现信号的增强。
二、半导体纳米材料的应用半导体纳米材料的表面增强拉曼光谱技术有着广泛的应用前景。
首先，它可以用于表征半导体纳米材料的结构、形貌、成分以及表面活性位点等信息。
其次，表面增强拉曼光谱技术还可以用于探索半导体纳米材料的光谱响应和表面性质等。
例如，在太阳能电池等能源领域，半导体纳米材料的表面增强拉曼光谱技术可以用于表征太阳能电池中的光敏剂的结构和形貌，进而探究太阳能电池的性能。
此外，在生物医学领域中，半导体纳米材料的表面增强拉曼光谱技术也被应用于生命分析、疾病诊断等方面。
三、半导体纳米材料表面增强拉曼光谱技术的未来发展方向表面增强拉曼光谱技术作为一种非常重要的超分辨率光谱技术，其应用前景非常广泛。
在半导体纳米材料的表面增强拉曼光谱技术的研究方面，随着技术的不断发展，未来存在着以下几个方向的发展。
首先，随着光学技术和信号处理技术的发展，表面增强拉曼光谱技术的探测极限将会进一步提高。
其次，未来表面增强拉曼光谱技术将更加注重在金属纳米结构、活性位点等方面的设计和优化，以提高拉曼信号的增强度和可重现性。
表面增强拉曼光谱分析原理及应用
激光Raman光谱仪 激光光源： A、He-Ne激光器， 波长632.8nm B、Ar激光器 波长514.5nm
488.0nm
3、拉曼光谱仪器
傅里叶变换-Raman光谱仪 光源：Nd-YAG钇铝石 榴石激光器 （λ=1064nm）
3.1 仪器结构
1、激光光源 根据所用的材料不同大致可把激光器分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和燃料
总的来说，物理类模型所涉及的分子与金属间作用为物理吸附，具有长程效应，它的代表 为 EM 模型。化学类模型强调吸附分子与金属基底间的吸附，具有短程效应，它的代表为 CT 模型。
5、SERS应用 5.1 SERS检测微量添加物的研究 5.1.1 中成药中微量西药成分的研究
D、避雷针效应
金属粗糙过程中产生的表面粒子形状各不相同，一些粒子或粒子的某些部位曲率半径非常 小，这些颗粒的尖端处具有很强的局部表面电磁场。曲率半径越小，其表面电场强度越大， 从而引起拉曼散射强度的增强。
4.3.2 化学增强机理
A、电荷转移模型 电荷转移模型认为[13]：在适当波长的激光照射下，金属中的电子被激发到电荷转移态上去
A、表面电磁场模型
表面电磁增强模型又可称为表面等离子体共振模型。该模型认为，在光电场作用下，金 属表面附近的电子会产生疏密振动。因此当粗糙化的衬底材料表面受到光照射时，衬底材料 表面的等离子体能被激发到高的能级，而与光波的电场耦合，并发生共振，使金属表面的电 场增强，从而产生增强的拉曼散射。
B、天线共振子模型
立的拉曼区间的强度和功能集团的数量相关。
4、由于激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,所以,常规拉曼光谱只需要少量的样品 就可以得到。而且,拉曼显微镜物镜可以将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小,因此可分析 更小体积的样品。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
表面增强拉曼光谱
1
2 3 4
SERS的发现
SERS的机理 实验特性 仪器及应用
表面增强拉曼光谱 Surface Enhanced Raman Scattering
第1篇有关SERS的文章是英国的Fleishmann研究组在 1974年发表的（Fleischmann, M. et. Al., Chem. Phys. Lett. 1974, 26, 163）。 在文章中，他们报道了吸附在用电化学方法粗糙化的银 电极表面的吡啶分子在不同电位下的拉曼光谱，表明了 拉曼光谱能与电化学方法联用而测得吸附在电极表面的 分子的信息。
The Early Study on Surface-Enhanced Raman Scattering
(1) Fleischmann, M.et. Al., J. Chem. Phys. Lett. 1974, 26, 163. (2) Jeanmaire, D. L.; Van Duyne, R. P. J. Electroanal. Chem. 1977, 84, 1. (3) Albrecht, M. G.; Creighton, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 5215.
表面等离子体共振模型
在所有的物理类模型中，表面等离子体共振模型在理论和 实验上都是研究的比较多的。该模型认为，当粗糙化的金 属基体表面受到光照射时，金属表面的等离子体能被激发 到高的能级，而与光波的电场耦合，并发生共振，使金属 表面的电场增强，产生增强的拉曼散射。这个模型能较好 地解释为什么只有在红光下才能观察到金和铜表面的 SERS、表面粗糙化的作用等。但在假设粗糙化金属基体 表面粒子是半球形或椭圆形时，理论计算表明其SERS增 强因子一般不超过104。
共聚焦拉曼光谱仪的特点:
1.灵敏度高 2.快速分析，鉴别各种材料的特性与结构 3.微量样品分析，样品可小于2微米 4.对样品无接触，无损伤，样品无需制备 5.适合黑色和含水样品 6.高、低温及高压测量 7.光谱成像快速、简便，分辨率高 8.仪器稳固，体积适中，维护成本低，使用 简单。
Figure1 FT-Raman BRUKER RFS 100
Figure2 共聚焦显微拉曼光谱仪 RENISHAW SYS1000
Figure 3 Renishaw 1000 model 共聚焦光谱测量光路图 1、样品平台 2、物镜 3、显微镜 4、全息陷波滤波器 5、镜头 6、狭缝 7 、双反射光栅 8、紫外、可见增强型CCD 9、激光器 10、衰减器
• 大多数的物理类模型认为SERS起源于金属表面局域电场的增 强，它们之间的不同在于所提出的局域电场增强的模型不同。 这类模型并不需要在金属基体和吸附分子之间有特殊的化学键， 因此无法说明不同吸附分子的SERS的差异。
• 但它们一般能解释为什么在金、银和铜表面上有较强的SERS 效应，只有在粗糙的金属表面才能观察到SERS现象，在离基 体表面较远距离时也能观察到SERS增强作用，SERS增强对 入射光的入射角的依赖关系等。
பைடு நூலகம்
化学增强机理的模型
•活位模型： 此模型认为，不是所有吸附在基体表面的分子都能产生SERS 信号，只有吸附在基体表面某些被称为活位上的分子才有强的 SERS效应。用电化学方法粗糙化的银电极表面，用欠电位法 沉积上覆盖度为3％的Tl后，吸附分子的SERS信号消失。该 结果证明了能产生SERS的活位只占基体表面很小的一部分面 积。 • 电荷转移模型 众所周知，当一过渡金属离子与配位体形成络合物时，会产生 新的吸收峰。与此相似，当一分子吸附到金属基体表面时，也 能产生新的激发态，形成新的吸收峰。当波长合适的激发光照 射到金属表面时，电子可从金属的费米能级附近共振跃迁到吸 附分子上或从吸附分子共振跃迁到金属上，从而改变了分子的 有效极化率，产生了SERS效应。这一模型被称为电荷转移模 型。
SERS光谱的实验特性
1. SERS效应具有很大的增强因子 2. 只有在少数基体表面上能观察到SERS效应 3. 金属基体表面粗糙化是产生增强效应的必要条件 4. 许多分子能产生SERS效应 5. 与普通拉曼光谱相比，SERS光谱中的大多数谱带的频率 变化较小，表明吸附对分子振动能量的影响是较小的，即 被吸附分子与基体表面之间的键是较弱的 6. 观察不到SERS的倍频谱带 7. SERS谱带要宽于普通拉曼谱带 8. SERS强度随分子离金属基体表面距离的增加而迅速降低。
N
Raman signals can be enhanced 105~106 !
(4) Kneipp, K.et. Al. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1667. (5) Nie, S.; Emory, S. R. Science 1997,275,1102.
1014
Single Molecule
但Fleishmann认为这是由于电极表面的粗糙化，电极真 实表面积增加而使吸附的吡啶分子的量增加引起的，而没 有意识到粗糙表面对吸附分子的拉曼光谱信号的增强作用。
• 一直到1977年，Van Duyne和Creighton两个研究组各自独立 地发现，吸附在粗糙银电极表面的每个吡啶分子的拉曼信号要 比溶液中单个吡啶分子的拉曼信号大约强106倍。 • 他们认为这种异常高的拉曼信号的增强不能简单地归结于银电 极表面粗糙化后吸附的吡啶分子数量的增加，而必然有某种物 理效应在起作用。
SERS机理的分类
• 对于为什么一些粗糙金属表面吸附分子后，吸附分子 的拉曼散射得到巨大增强这一效应，人们提出了许多 不同的理论模型来解释这种现象。 • 由于分子的拉曼散射是分子在外电场作用下被极化而 产生极化率，交变的极化率在再发射的过程中，受到 分子中原子间振动的调制，从而产生拉曼散射光。散 射光的增强可能是由于作用在分子上的局域电场的增 加和分子极化率的改变。 • P=α·E • 已提出的理论模型可分为两大类：电磁增强和化学增 强。