一文说清“表面增强拉曼光谱（SERS）”！

拉曼散射是一种非弹性散射，源于激光光子与分子相互作用后能量的变化。拉曼光谱可用于“指纹”识别分子的结构信息。然而，由于拉曼散射信号极弱，灵敏度低是该技术的主要问题。

表面增强拉曼光谱（SERS），可显著提升拉曼信号强度：纳米颗粒（NPs）、粗糙薄膜或纳米图案基底等常见纳米结构材料，能通过表面等离激元增强或化学贡献两种途径增强分析物的拉曼信号。

表面增强拉曼光谱（SERS）可实现对目标分子的快速、无创原位检测。凭借超高灵敏度与选择性，SERS已广泛应用于表面与界面化学、催化、纳米技术、生物学、生物医学、食品科学、环境分析等领域。

图1. （a）分子吸附在纳米结构颗粒上时的增强拉曼散射，导致发射辐射的频率低于（红色）或高于（蓝色）入射光，分别称为斯托克斯散射和反斯托克斯散射。DOI: 10.1038/s43586-021-00083-6

表面等离激元是SERS的核心：当入射光照射到尺寸远小于波长的颗粒时，会激发局域表面等离激元；电子与核之间的恢复力决定了振荡频率，而该频率又由颗粒本身的大小、形状和形貌等固有属性决定。

当入射光频率与电子振荡频率一致时，发生局域表面等离激元共振（LSPR），在颗粒附近产生显著增强的电场，从而令处于该场内的吸附分子拉曼散射强度大幅提升。

若采用在可见或近红外区具有LSPR的金属纳米针尖，可在针尖下方纳米级体积内激发样品产生拉曼散射，这一技术即为针尖增强拉曼光谱（TERS）。

图2. 局域表面等离激元共振（LSPR）对表面增强拉曼光谱（SERS）的贡献：金属表面产生的局域增强电场（E）使拉曼信号放大。

化学增强机制对于那些表面等离激元共振吸收峰远离常用激光激发波长的材料尤为关键。

根据化学增强理论，电荷转移（CT）是SERS增强的重要来源：与电磁机制对拉曼峰的整体增强不同，CT贡献会导致拉曼峰的选择性增强；CT跃迁方向（μ_CT）高度依赖于材料、分子与激光能量，可通过分子到金属或金属到分子的路径发生。

当分子吸附在金属表面时，光诱导电子既可以从分子的最高占据分子轨道（HOMO）激发并转移到金属的费米能级，也能从金属的费米能级激发并转移到分子的最低未占据分子轨道（LUMO）。半导体材料的满价带与空导带之间存在能隙，其能级在CT过程中可发挥类似等离激元纳米粒子费米能级的作用。

图3. （c）金属–分子或半导体–分子界面的电荷转移（CT）对SERS的贡献：CT跃迁（μ_CT）及箭头（绿色：金属→分子；紫色：半导体→分子）表示电荷转移方向。红色和白色圆圈代表分子轨道。CB：导带；E_F：费米能级；HOMO：最高已占分子轨道；LUMO：最低未占分子轨道；VB：价带。

通常情况下，电磁增强与化学增强并非相互排斥，而是共同贡献于整体SERS信号。如图4所示，在金属-半导体异质结构中，等离激元与CT的协同作用可产生前所未有的强SERS信号。

图4. SERS机制示意图：金属上的等离激元介导增强、半导体上的电荷转移（CT），以及金属-半导体异质结构中二者协同增强效应。DOI: 10.1039/D0MH01356K

用于SERS的金属纳米颗粒（NPs）在尺寸、形貌、特征及均一性方面的开发显著增加。NPs可通过化学还原、化学置换以及各类化学或热分解方法合成。

其中，化学还原法最为简便且能获得均一产物：以氯金酸或硝酸银等金属前驱体为原料，用硼氢化钠或柠檬酸钠等还原剂进行还原，即可生成金属NPs。

图5. （a）液相胶体纳米颗粒：通过改变反应物和/或表面活性剂，可获得不同尺寸与形貌的颗粒。

反应时间与温度共同决定颗粒的尺寸和结构；为防止聚集或诱导非球形生长，通常需加入表面活性剂。起始物料及其浓度、反应体系pH值、表面活性剂类型等因素也会进一步调控尺寸和形貌。合成过程中引入的生物分子配体或生物聚合物等非常规稳定剂，既能抑制NPs聚集，又可提供后续传感应用的连接位点。

纳米球上覆膜是一类常见且耐用的SERS活性基底，制备简便。简言之，它是在光滑基底上先自组装一层（或多层）单分散纳米球（直径通常为几百纳米），再蒸镀一层纳米级厚度的金属膜而制得。

其制备步骤为：将尺寸均一的纳米球滴涂在平整基底（如玻璃、云母、硅片）上，使其自组装形成单层或多层紧密堆积的纳米球。

基底需先用食人鱼溶液或王水清洗处理，以去除有机或金属污染物（避免干扰纳米球自组装）；随后在基底表面气相沉积金、银等等离激元材料—金属膜的厚度与粗糙度直接关联LSPR特性及整体SERS增强效果。尽管这类基底的增强因子存在批次差异，但其保质期较长，是长期SERS应用的实用选择。

图6. 纳米球覆膜（FON）合成示意图。DOI: 10.1002/jrs.6019

通过光刻技术可制备多种SERS活性基底。对于纳米球光刻，先制备纳米球上覆膜，然后将整个基底在有机溶剂中超声处理，去除气相沉积金属后的自组装纳米球，最终在原纳米球紧密堆积的间隙处留下有序的纳米三角形结构。该技术快速且成本低，但间隙图案受纳米球自组装效果限制，可能无法形成完美结构。

图7. 三种不同光刻技术制备等离激元纳米颗粒阵列的步骤示意图。DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b00341