表面增強拉曼散射

1、.表面增強拉曼散射表面增強拉曼散射SERSSERS.2目錄 一、納米顆粒概述及SERS相關(guān)歷史 二、SERS原理 三、SERS儀器 四、SERS應(yīng)用 五、SERS前景.3一、納米顆粒概述及SERS相關(guān)歷史.4一、納米顆粒概述及SERS相關(guān)歷史 納米材料: 廣義上是三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或者由該尺度范圍的物質(zhì)為基本結(jié)構(gòu)單元所構(gòu)成的材料的總稱。 納米材料特性： 表面效應(yīng) 小尺寸效應(yīng) 宏觀量子隧道效應(yīng) 量子限域效應(yīng).5表面效應(yīng) 指納米顆粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。 .6表面效應(yīng) .7小尺寸效應(yīng) 當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長等

2、物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，納米微粒的周期性邊界將被破壞。 其結(jié)果是納米材料的聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等性能將異于普通材料。.8小尺寸效應(yīng) 例如，銅顆粒達(dá)到納米尺寸時就變得不能導(dǎo)電； 絕緣的二氧化硅顆粒在20納米時卻開始導(dǎo)電。 利用這一特性，可以高效率地轉(zhuǎn)變太陽能為熱能、電能。.9宏觀量子隧道效應(yīng) 微觀粒子具有的能夠貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。 納米粒子可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。.10量子限域效應(yīng) 又稱量子尺寸效應(yīng)，當(dāng)粒子的尺寸達(dá)到納米量級時，費米能級附近的電子能級由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級。 當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚

3、能時，會出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)。.11量子限域效應(yīng) 例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會變得完全不透明。.12納米材料分類及應(yīng)用 納米材料分為： 納米粉末 納米纖維 納米膜 納米塊體.13納米材料分類及應(yīng)用 納米粉末：粒度一般在100nm以下。介于原子、分子與宏觀物體間的中間物態(tài)的固體顆粒材料。 納米纖維：直徑為納米尺度的線狀材料。 可用于：微導(dǎo)線、微光纖新型激光或發(fā)光二極管材料等。.14納米材料分類及應(yīng)用 納米膜：顆粒膜、致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜是膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。 可用于

4、：氣體催化、過濾器、高密度磁記錄材料、光敏材料、平面顯示器、超導(dǎo)材料等。 納米塊體：將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而成。 可用于：超高強度材料；智能金屬材料等。.15拉曼散射歷史l 1905年，愛因斯坦提出了光電效應(yīng)的光量子解釋。l 1922年9月，拉曼在光的分子衍射一書中最后提到，如果散射過程能夠被看作光量子和散射分子之間的碰撞，他將有與經(jīng)典的電磁理論所預(yù)期的不同的結(jié)果。l 1923年A.G.S.斯梅卡爾從理論上預(yù)言了頻率發(fā)生改變的散射。.16拉曼散射歷史l海森堡在1925年預(yù)言，在可見光中可能也會有類似的效應(yīng)存在。l1923年，拉曼和他的助手發(fā)現(xiàn)一種“熒光”效應(yīng)。以太陽光為光源，觀察

5、它穿過蒸餾水的散射線，并在入射光路中加一個紫色濾光鏡，未料觀察到一種較通常的散射線波長有微弱變化的二次射線，他們將此種微弱射線歸結(jié)為某種“熒光”現(xiàn)象。.17拉曼散射歷史 他們不敢輕易下結(jié)論，因為這種現(xiàn)象太弱了。 之后，他們找到了將熒光分離出來的一種手段，用屋頂上的定日鏡把太陽光送進(jìn)實驗室，經(jīng)匯聚照到實驗樣品上，入射光路與出射光路分別放置一對互補濾色鏡。.18拉曼散射歷史 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，穿過樣品的散射光通過濾光鏡后并未完全消失，還能觀測到暗淡的光線。 當(dāng)時給出解釋為：樣品中含有某些雜質(zhì)，激發(fā)出熒光。 在80多種不同的、經(jīng)過精心提純的液體樣品中無一例外的存在著； 在甘油樣品實驗中，這種現(xiàn)象更為明顯，并

6、且最后的出射線已被極化，成了偏振光。.19拉曼散射歷史 拉曼和助手把此現(xiàn)象與克拉姆斯海森堡的色散理論相聯(lián)系，稱之為“分子散射”。經(jīng)過5年的研究，1928年2月16日，向science投稿。 之后，改進(jìn)試驗裝置，用大孔徑聚光器、汞弧燈及濾光片獲得了較強的單色光。1928年2月28日下午，觀察液體散射光譜時，觀察到汞弧燈中沒有的若干譜線，在拍攝的光譜照片上還證實了散射光不僅有紅移，還有藍(lán)移。.20拉曼散射歷史 然而由于當(dāng)時還未出現(xiàn)關(guān)于激光的應(yīng)用，因此三十年代至六十年代，拉曼散射的研究處于一個低潮時期，主要的原因來自激發(fā)光源太弱的問題。 1960 年，紅寶石激光器的出現(xiàn)，使得拉曼散 射的研究進(jìn)入了一

7、個全新時期。由于激光器的單色性好，方向性強，功率密度高，用它作為 激發(fā)光源，大大提高了激發(fā)效率。.21SERS的發(fā)現(xiàn) Fleischmann, M. et. Al., Chem. Phys. Lett. 1974, 26, 163 Jeanmaire, D. L.; Van Duyne, R. P. J. Electroanal. Chem. 1977, 84, 1. Albrecht, M. G.; Creighton, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 5215. 文章中，他們報道了吸附在用電化學(xué)方法粗糙化的銀電極表面的吡啶分子在不同電位下的拉曼光譜，表明

8、了拉曼光譜能與電化學(xué)方法聯(lián)用而測得吸附在電極表面的分子的信息。 由此便開啟了拉曼散射這一現(xiàn)象的全新應(yīng)用：SERS.22參考文獻(xiàn) 1./wiki/納米顆粒 2.戈丹,千舒.震驚世界的100個科學(xué)發(fā)現(xiàn)(下).呼和浩特：內(nèi)蒙古人民出版社,2007. 3.Fleischmann, M. et. Al., Chem. Phys. Lett. 1974, 26, 163 4.Jeanmaire, D. L., Van Duyne, R. P. J. Electroanal. Chem. 1977, 84, 1. 5.Albrecht, M. G., Creig

9、hton, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 5215. 6.http:/ 拉曼散射原理 拉曼散射： 定義： 指光波在被散射后頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象 圖片來源：http:/www.raman.de/assets/img/raman-intensities.jpg.252.1.1 光的粒子性的角度 光子與分子的非彈性碰撞.262.1.2 能級躍遷角度拉曼散射的入射光子的能量不等于分子任意兩能級之間的能級差。虛能級：分子在這段時間內(nèi)能保存從入射光子處吸收的能量，此時分子能量比基態(tài)高，但又不對應(yīng)任何一個真實的能級，我們稱此時分子處于一個虛能級。虛能級是一種非常短暫的，不

10、可觀察的量子態(tài)。.272.1.2 能級躍遷角度基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)虛能級虛能級h(v0-v)斯托克斯線斯托克斯線v v0 0- -v vhv0hv0瑞利散射瑞利散射v v0 0h(v0+v)反斯托克斯線反斯托克斯線v v0 0+ +v v散射線的強度散射線的強度如何解釋？如何解釋？虛能級虛能級hv0hv0.282.1.2 能級躍遷角度 根據(jù)波爾茲曼分布，處于基態(tài)的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動激發(fā)態(tài)的粒子數(shù) Anti-Stokes譜線與Stokes譜線的強度比滿足公式：.292.1.3 誘導(dǎo)偶極矩角度 .302.2 表面增強原理 .312.2.1 電磁增強 .322.2.1 電磁增強 .332.2.1

11、電磁增強.342.2.1 電磁增強 .352.2.1 電磁增強.362.2.2 化學(xué)增強 化學(xué)增強被定義為樣品分子吸附在襯底上時極化率的變化。 增強的數(shù)量級：10-100 電荷轉(zhuǎn)移模型（普遍接受）.372.2.2 化學(xué)增強 電荷轉(zhuǎn)移模型 Type I: 樣品分子沒有與納米金屬粒子共價結(jié)合 Type II: 樣品分子與金屬納米粒子共價結(jié)合或通過電解質(zhì)離子間接結(jié)合 Type III: Type II的更加復(fù)雜的形式 包含光驅(qū)動的電荷轉(zhuǎn)移的過程.38參考文獻(xiàn) 1.http:/www.raman.de/assets/img/raman-intensities.jpg 2.https:/en.wikip

12、/wiki/Virtual_state 3.董炎明,熊曉鵬,鄭薇等.高分子研究方法.中國石化出版社,2011,04:222-224. 4.Eric C. Le Ru, Pablo G. Etchegoin. Principles of surface enhanced raman spectroscopy and related plasmonic effects. Elsevier Science, 2008, 11: 185-264. 5. 蘭燕娜,周玲. 表面增強拉曼光譜J. 南通工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004, (02):21-23.39三、SERS儀器.40三、

13、SERS儀器 儀器的種類及結(jié)構(gòu)組成1-3 納米基底或探針的制備4-6.41色散型激光拉曼光譜儀.42傅立葉變換拉曼光譜儀.43襯底或探針的制備 表面增強拉曼散射光譜是需要利用表面具有納米級粗糙度（貴）金屬（或金屬納米粒子）作為分析物襯底來產(chǎn)生 SERS 效應(yīng) 襯底納米材料的性質(zhì)主要是由材料本身的尺寸、形狀、材料種類等因素決定 某些情況下，襯底納米材料尺寸結(jié)構(gòu)或形狀發(fā)生了微小的變化，可能導(dǎo)致 SERS 增強因子產(chǎn)生幾個數(shù)量級的變化.44襯底或探針的制備 金屬納米粒子溶膠溶液 納米光刻法 模板法 光纖探針.45金屬納米粒子溶膠溶液 制備方法 檸檬酸三鈉還原法：取一定量的硝酸銀溶液轉(zhuǎn)移至250ml圓

14、底燒瓶中，油浴加熱，不斷攪拌。待溶液沸騰后將一定量的檸檬酸三鈉溶液逐滴加入硝酸銀溶液中，滴加完成后，繼續(xù)加熱攪拌60min后，停止加熱，自然冷卻，得到灰色的銀溶膠，倒入棕色的廣口瓶中避光保存。.46金屬納米粒子溶膠溶液 優(yōu)點： 制備簡便易行 增強效應(yīng)比較好 缺點： 適用范圍小 金屬溶膠是一種亞穩(wěn)態(tài)體系,加入分析物后粒子容易聚集,但溶膠的聚集程度難以控制,導(dǎo)致拉曼信號的重現(xiàn)性差.47納米光刻法 直接在固體基底上制備的納米結(jié)構(gòu)SERS襯底 最常用的現(xiàn)代光刻技術(shù)為聚焦離子束和電子束光刻技術(shù) 可以精確控制納米結(jié)構(gòu)的大小和形狀.48納米光刻法電子束光刻原理圖.49納米光刻法 電子束光刻技術(shù)： 把10-5

15、0keV的電子束聚焦在SiOx/Si固體基底上，并在其表面涂上電子束抗蝕劑，電子束選擇性的腐蝕掉預(yù)定形狀區(qū)域表面的抗蝕劑，形成預(yù)定形貌的納米粒子陣列.50納米光刻法EBL方法制備的陣列結(jié)構(gòu)SERS襯底的SEM圖.51納米光刻法 電子束光刻法 優(yōu)點： 與一般的光學(xué)光刻法相比，成本較低 精確控制納米粒子的形狀、大小以及粒子間隔，重現(xiàn)性好 缺點： 耗時，產(chǎn)量低 鄰近效應(yīng)限制分辨率.52模板法 把可控幾何形狀的金屬納米粒子沉積在模板上 模板的直接合成是一個寬泛的研究領(lǐng)域，常用的模板主要分為硬模板和軟模板.53模板法 硬模板： 陽極氧化鋁模板（AAO）是一種蜂窩狀密集排列的數(shù)以萬計的納米級孔結(jié)構(gòu)，常被用

16、來制備高性能的SERS襯底.54模板法硬模板法制備Ag納米棒及其應(yīng)用示例.55模板法不同濃度的R6G溶液在這種SERS襯底上的拉曼光譜.56模板法 優(yōu)點： 使大規(guī)模生產(chǎn)得以實現(xiàn) 成本較低 硬膜法重現(xiàn)性較好 軟膜法能制備不同形狀的納米結(jié)構(gòu) 缺點： 硬膜法所得納米結(jié)構(gòu)比較單一 軟膜法重現(xiàn)性相比硬膜法較差.57光纖探針 利用光纖材料，經(jīng)過適當(dāng)?shù)匚锢砘蛘呋瘜W(xué)處理使光纖針頭表面粗糙化，再利用自組裝、激光誘導(dǎo)、真空蒸鍍等方法在其表面鍍上一層金屬納米粒子 錐形、直形、D形、楔形.58光纖探針 錐柱組合型光纖探針是先經(jīng)氫氟酸腐蝕出錐柱結(jié)構(gòu), 再通過自組裝法把銀納米顆粒修飾到光纖表面.59光纖探針光纖表面SER

17、S活性基底的制作:羥基化過程氨基化過程銀納米顆粒自組裝.60光纖探針錐柱型光纖探針表面上銀納米顆粒的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像.61光纖探針錐柱形探針靈敏度檢測.62光纖探針 優(yōu)點： 方法簡單、可靠且低成本 重現(xiàn)性較好，可以滿足一般樣品檢查 遠(yuǎn)程傳感功能 缺點： 不能精確控制納米粒子鍍層的參數(shù).63參考文獻(xiàn) 1.潘鐵英,康燕,錢楓.波譜解析法(第三版)M.上海：華東理工大學(xué)出版社,2015,07:141. 2.周宇超.拉曼光譜儀J.中國醫(yī)學(xué)裝備,2004,1(4). 3.李淑玲.拉曼光譜儀及其應(yīng)用進(jìn)展J.巖礦測試,1998,17(4). 4.董前民等.表面增強拉曼散射襯底的研究及應(yīng)用J.光譜

18、學(xué)與光譜分析,2013,33(6). 5.Ding H P, Wang M Chen L J, et al. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2011,387,(1-3):1. 6.郭旭東等.錐柱型光纖探針在表面增強拉曼散射方面的應(yīng)用J.物理學(xué)報,2017,66(4).64四、SERS應(yīng)用.65四、SERS應(yīng)用領(lǐng)域 分析化學(xué) 生物醫(yī)學(xué)檢測 表面吸附和催化反應(yīng) 金屬防腐 .66FOCUS SERS納米傳感器在活細(xì)胞中的應(yīng)用 SERS“分子前哨”（SERS-MS）.67SERS納米傳感器在活細(xì)胞中的

19、應(yīng)用 在活細(xì)胞研究中SERS的優(yōu)勢 納米顆粒的選擇 金納米探針進(jìn)入活細(xì)胞的過程 SERS光譜分析結(jié)果 對金納米顆粒的保護(hù) 吲哚菁綠信號標(biāo)記的SERS納米傳感器（ICG-SERS）.68在活細(xì)胞研究中SERS的優(yōu)勢 在關(guān)于活細(xì)胞，組織和微生物的眾多研究中，有兩個主要參數(shù)： 1.橫向分辨率，影響生物體的大小，數(shù)量和異質(zhì)性（s）信息； 2.檢測靈敏度：影響測量的持續(xù)時間以及樣品的完整性，時間分辨率和體內(nèi)適用性。 SERS的優(yōu)勢：1.橫向分辨率高；2.檢測靈敏度高。.69納米顆粒的選擇 要求： 1.金屬納米結(jié)構(gòu)需要與生物系統(tǒng)相容; 2.材料應(yīng)該是惰性的，如果可能，不影響其周圍環(huán)境。.70金納米探針進(jìn)入

20、活細(xì)胞的過程 在用SERS納米傳感器探測活細(xì)胞的過程中，許多細(xì)胞本身不需要進(jìn)一步的誘導(dǎo)就能吸收納米探針。該方法可用于選擇性地探測細(xì)胞中囊泡轉(zhuǎn)運中涉及的細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)。.71金納米探針進(jìn)入活細(xì)胞的過程.72SERS光譜分析結(jié)果.73對金納米顆粒的保護(hù)不同的方法已被提出保護(hù)金納米顆粒，例如使用牛血清白蛋白。在添加胎牛血清（FCS）的培養(yǎng)條件下，可以防止培養(yǎng)基中金納米顆粒的絮凝，膠體粒子能夠穩(wěn)定數(shù)天之久。將納米顆粒浸入含F(xiàn)CS的培養(yǎng)基中的TEM研究結(jié)果表明，除了單個顆粒之外，形成的納米聚集體的直徑大約只有100nm。.74 （a）浸入細(xì)胞培養(yǎng)液（內(nèi)含胎牛血清）中的金納米粒子的電子顯微鏡照片 （b）用金納

21、米顆粒（箭頭）孵育2小時后，在內(nèi)體中顯示單個顆粒的上皮細(xì)胞的電子顯微照片.75吲哚菁綠信號標(biāo)記的SERS納米傳感器（ICG-SERS） 利用SERS方法創(chuàng)建具有高靈敏度，特異性和空間定位的光學(xué)標(biāo)簽對于細(xì)胞內(nèi)探測是非常有必要的，可以在細(xì)胞環(huán)境中提供化學(xué)分子和結(jié)構(gòu)信息的標(biāo)簽對于細(xì)胞研究將更有幫助。 生物相容性染料吲哚菁綠（ICG）經(jīng)常被用作生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的熒光標(biāo)記物。因此ICG-SERS納米傳感器在生物醫(yī)學(xué)方面也得到了廣泛應(yīng)用。.76（a）使用激發(fā)波長786nm獲得的銀（痕量A）和金（痕量B）膠體溶液中的10-7MICG-SERS光譜。 （b）含有與HSA結(jié)合的510-6M吲哚菁綠（ICG）的銀和金

22、膠體樣品溶液（分別為光譜A和B）的消光光譜。 插圖顯示了在水中與HSA結(jié)合的510-6M ICG的吸收。.77ICG-SERS的應(yīng)用為了研究HSA對SERS光譜的影響，我們測量了在金膠體溶液中與HSA結(jié)合的純ICG和ICG的光譜。 兩個光譜顯示出非常相似的特征。 這些發(fā)現(xiàn)與最近的觀察結(jié)果非常一致，即血清白蛋白不會干擾SERS的檢測。 光譜之間光強的差異非常可能與無HSA樣品中染料聚集體的形成有關(guān)。 這個實驗證明了HSA處理的重要性。.78SERS“分子前哨”（SERS-MS） SERS“分子前哨”是一種新的診斷方法，其涉及等離子體激元基納米探針，由一端具有拉曼標(biāo)記分子的DNA發(fā)夾環(huán)和另一端的金

23、屬納米顆粒組成。 MS納米探針具有兩個基本特征： 1.等離子體激元效應(yīng)的調(diào)制以改變標(biāo)記的SERS光譜強度; 2.DNA發(fā)夾環(huán)序列識別和鑒別各種分子靶序列的特異性。.79金屬表面存在著大量的價電子，它們自由地運動在費米面內(nèi)，由于庫侖作用的長程性，導(dǎo)致電子系統(tǒng)存在著集體激發(fā)，其密度起伏相對于原子核的正電荷背景而言，形成一個正負(fù)離子的集體的振蕩，如圖所示，稱為表面等離子體激元。被激發(fā)的表面等離子體激元，會在納米材料附近形成比激發(fā)電場強數(shù)倍甚至數(shù)十倍的電場.80 當(dāng)MS探針處于發(fā)夾（閉合狀態(tài)）構(gòu)象時，SERS信號被檢測到，而SERS信號在開放（雜交）狀態(tài)下降低.81 當(dāng)拉曼標(biāo)記物與納米顆粒接觸或接近時

24、（1nm），誘導(dǎo)相鄰的拉曼標(biāo)記分子產(chǎn)生強的SERS效應(yīng)。在正常條件下，當(dāng)用激光激發(fā)拉曼標(biāo)簽時，發(fā)夾環(huán)配置與強的SERS信號一致。然而，當(dāng)與互補靶DNA進(jìn)行雜交時，發(fā)夾環(huán)開放并物理分離拉曼標(biāo)記物與納米顆粒。由于SERS的光譜信號強烈依賴于拉曼標(biāo)記和金屬納米顆粒之間的距離d，雜交過程導(dǎo)致SERS效應(yīng)的強烈降低。 等離子體激元納米探針起到分子前哨的作用，巡視樣品溶液，當(dāng)沒有顯著事件發(fā)生時，其警告燈“開啟”。每當(dāng)識別和檢測到目標(biāo)DNA時，分子哨兵就會熄滅它們的光，從而提供可測量的光學(xué)信號變化。.82 使用SERS“分子前哨”探針檢測HIV1序列：沒有靶DNA序列的HIV1 SERS-MS納米探針的SE

25、RS光譜（上曲線：空白）和存在非互補DNA靶序列（中間曲線：陰性診斷） 和互補的HIV1 DNA靶標(biāo)（下曲線：陽性診斷）。 來自SERMS納米探針的SERS信號的閾值電平用虛線表示.83參考文獻(xiàn) 1.韓曉霞.基于表面增強拉曼散射的蛋白質(zhì)檢測方法研究D.吉林大學(xué),2009,5. 2.蘭燕娜,周玲.表面增強拉曼光譜J.南通工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,(02):21-23. 3.Kneipp, Katrin, Moskovits, Martin, Kneipp, Harald. Surface-Enhanced Raman Scattering: Physics and ApplicationsM. Springer, 2006: 335-349, 409-426.84五、SERS前景.851、新興應(yīng)用 非標(biāo)記的組織SERS檢測 臨床腫瘤病理的分子水平 SERS尚未開展活體研究 TERS技術(shù) TERS & 內(nèi)窺鏡.861、新興應(yīng)用.871、新興應(yīng)用.881、新興應(yīng)用 免疫檢測 以標(biāo)記DTNB的金納米粒子作為探針，首次開展SERS技術(shù)原位檢測人前列腺組織切片中PSA抗原的表達(dá) 研究發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)胞中有很強的SERS信號，而間質(zhì)或腺腔中未探測到SERS信號.891、新興應(yīng)用 免疫檢測 磁