天美讲堂丨拉曼信号“赋能”--表面增强拉曼散射(SERS技术)
SERS技术简介
表面增强拉曼散射(SERS)是一种信号增强技术,用于增强弱拉曼散射信号。SERS技术提高了拉曼光谱的灵敏度,通过增强拉曼散射和荧光猝灭(消除荧光背景)。SERS可以将拉曼信号提高近1010-15倍,可以运用拉曼光谱进行单分子分析。
图1 利用RM5显微拉曼测试含和不含金纳米颗粒的0.1 mM 4-NTP溶液
由于金属-分子相互作用,SERS光谱可能与正常的拉曼光谱有较大的差异。增强的振动带将是那些最接近金属表面的振动带。这导致获得的光谱重复性差,这是阻碍SERS成为样品分析中常用的工具的问题之一。为了获得可重复的光谱,纳米结构需要在整个基底上提供均匀的增强,使纳米粒子功能化,增强关注区域的信号。
SERS效应的机理
SERS效应的确切机制至今仍处于争论中;然而,人们普遍认为电磁增强和化学增强都发挥了作用,其中电磁效应的增强更为显著,如图2。
SERS基底
任何材料都可以作为SERS基底,只要能在激发波长激发等离子体激元活性。有几个因素影响着基底层的SERS增强。理想的基底应该具有较高的SERS活性,需要优化尺寸、形状和金属粗糙度等。分析物必须有效地吸附在表面上,需要比样品内任何干扰物更高的拉曼截面。如果一个干扰物具有较高的拉曼截面,它将主导拉曼信号。基底应为均匀的(在整个基底上提供均匀的增强),清洁的,具有高稳定性的长保质期。最后,SERS基底应易于生产,成本低。如果关注痕量检测,增强因子是关键,如果对定量分析感兴趣,重复性是SERS测试的关键。
图3 SERS基底
SERRS
表面增强型共振拉曼散射(SERRS)通过结合共振拉曼光谱技术实现了进一步的增强。在共振拉曼光谱中,选择与样品中电子跃迁的频率接近的激光激发源。共振拉曼光谱可以提供102-106的增强效应,作为一种技术,它比SERS更容易被理解。
结 论
SERS和SERRS是两种强大的拉曼信号增强技术,克服了标准条件下拉曼散射弱的缺点,可用于定量和定性分析。增强效应存在的情况下,可以选择使用更低的激光功率,保护样品,和更短的集成时间,加快信号采集速度。SERS/SERRS为在极低浓度下从分析物中获得更多信息提供了可能。SERS/SERRS的应用涉及各个领域,如,用于体外研究的SERS探针,SERS免疫分析,单分子检测,材料分析和DNA检测。SERS探针可用于监测实验,或用于跟踪特定分析物的含量(例如监测葡萄糖浓度)。
仪器推荐
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参考文献
1. Fleischmann, M., Hendra, P. J. & McQuillan, A. J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode. Chem. Phys. Lett.(1974) doi:10.1016/0009-2614(74)85388-1.
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4. Langer, J. et al. Present and future of surface-enhanced Raman scattering. ACS Nano 14, 28–117 (2020).
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