納米技術(shù) 表面增強拉曼固相基片均勻性測定 拉曼成像法

ICS17.040.20

N30

中華人民共和國國家標準

GB/TXXXXX—XXXX

納米技術(shù)表面增強拉曼固相基片均勻性測定拉

曼成像分析法

Nanotechnology-DeterminationoftheuniformityofSERSsolidsubstrate-Raman

mappinganalysis

（征求意見稿）

-XX-XX發(fā)-XX-XX實施

布

GB/TXXXXX—XXXX

前言

本標準依據(jù)GB/T1.1—2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)

則》的規(guī)定起草。

本標準由全國納米技術(shù)標準化技術(shù)委員會（SAC/TC279）提出并歸口。

本標準主要起草單位：蘇州英菲尼納米科技有限公司、蘇州市計量測試院、蘇州大學(xué)、

國家納米科學(xué)中心、中國檢驗檢疫科學(xué)研究院、姑蘇實驗室等。

本標準主要起草人：郭清華、夏燕、姚建林、袁亞仙、姜江、席廣成、盧荻、方丹等。

標準涉及專利的信息披露要求：本標準的條款如果涉及專利，請

將專利信息及相關(guān)證明材料一起提交給全國納米技術(shù)標準化技術(shù)委員

會納米材料分技術(shù)委員會秘書處。

已授權(quán)專利的證明材料為專利證書復(fù)印件或扉頁，已公開但尚未

授權(quán)的專利深切的證明材料為專利公開通知書復(fù)印件或扉頁，未公開

的專利申請的證明材料為專利申請?zhí)柡蜕暾埲掌凇?/p>

II

GB/TXXXXX—XXXX

引言

表面增強拉曼光譜（SurfaceEnhancedRamanSpectroscopy，SERS）技術(shù)靈敏度高，能在痕量濃度

范圍內(nèi)給出關(guān)于試樣的結(jié)構(gòu)特征、吸附狀態(tài)等豐富信息，在環(huán)境檢測、食品安全、生物制藥等領(lǐng)域已顯

示出巨大的應(yīng)用前景。

目前SERS技術(shù)在食品快檢領(lǐng)域已發(fā)展成為一項必備檢測技術(shù)。

SERS技術(shù)的核心是SERS基底，其通過貴金屬（金、銀、銅等）納米結(jié)構(gòu)的光電場增強特性，放

大被測物質(zhì)的拉曼信號。目前常見的SERS基底主要分為液相納米溶膠和固相基片。固相基片預(yù)先將納

米結(jié)構(gòu)固定在固態(tài)基片上，具有易于修飾、無溶劑干擾的特點，在SERS信號穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、標準數(shù)

據(jù)獲取以及應(yīng)用范圍方面具有優(yōu)勢，正越來越受到市場青睞。以固相SERS基片為基礎(chǔ)，可以發(fā)展面向

食品檢測、生物醫(yī)藥分析等多個方向的應(yīng)用檢測基片，將產(chǎn)生巨大的潛在市場。

但由于缺乏相關(guān)的性能評價標準，市場上的固相SERS基片質(zhì)量參差不齊，難以獲得市場普遍認可，

阻礙了SERS技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。因此，建立科學(xué)的固相基片質(zhì)量評價體系是SERS技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，也

是SERS技術(shù)當(dāng)下急需解決的問題。

固相SERS基片評價標準最基礎(chǔ)的質(zhì)量指標之一是固相SERS基片的均勻性，其用于描述基底不同

位置處的SERS活性差異。均勻性不佳的基底不同位置處的信號差別較大，易導(dǎo)致測量試樣的信號失

真，影響測試結(jié)果的重現(xiàn)性和可信度。由于缺乏相關(guān)的均勻性評價標準，目前市售固相SERS基片的實

際使用體驗與宣傳的“均勻性良好”不符，降低了測量結(jié)果的可信度。

本標準提出利用拉曼光譜成像法來檢測固相SERS基片均勻性的方法，同時給出了固相SERS基片

均勻性的質(zhì)量評價參考標準，有利于提高SERS檢測結(jié)果的重現(xiàn)性和可信度。

III

GB/TXXXXX—XXXX

表面增強拉曼固相基片均勻性測定拉曼光譜成像分析法

1范圍

本標準規(guī)定了固相SERS基片均勻性測定的原理、儀器要求、樣品準備、表征步驟及結(jié)果表示等。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T30544.6-2016納米科技術(shù)語第6部分:納米物體表征

GB/T33252-2016納米技術(shù)激光共聚焦顯微拉曼光譜儀性能測試

JJF1544-2015拉曼光譜儀校準規(guī)范

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1拉曼效應(yīng)Ramaneffect

單色光照射物質(zhì)引起的非彈性散射，其特征是轉(zhuǎn)動或振動等元激發(fā)引起的光的頻移。

3.2拉曼光譜Ramanspectroscopy

用拉曼效應(yīng)（3.1）檢測樣品能級的光譜方法。

3.3表面增強拉曼光譜SurfaceenhancedRamanspectroscopy；SERS

一種光譜方法，其原理是利用在合適波長的光照射下，吸附在具有納米尺度粗糙度的特定金屬表面

的某些分子或納米物體所呈現(xiàn)的拉曼效應(yīng)增強的現(xiàn)象。

注1：觀測到不同程度增強的典型金屬包括Au、Ag、Cu和Al。

注2：為了發(fā)生增強，表面粗糙度通常在幾十納米范圍內(nèi)。

3.4固相SERS基片SolidSERSsubstrate

具有SERS效應(yīng)的固相基片。

3.5激光共聚焦拉曼光譜儀ConfocalRamanspectrometer

以激光為光源，具有共聚焦功能的拉曼光譜儀。

3.6拉曼成像分析Ramanmappinganalysis

在待測物表面選定區(qū)域獲得一系列拉曼信號，運用統(tǒng)計方法進行數(shù)據(jù)分析并成像的分析。

1

GB/TXXXXX—XXXX

4方法概要

通過溶液浸泡，在SERS增強基片表面吸附探針分子并晾干。選取某一區(qū)域進行拉曼成像檢測，采

集相應(yīng)數(shù)據(jù)。選取所有譜圖中某一固定位置的特征峰，讀取其峰面積。以峰面積的平均值為1進行歸一

化，并獲得峰面積的強度分布。以平均值所對應(yīng)的1為中心，向前后選取相同的區(qū)間，使占總數(shù)量95%

的譜峰落入此區(qū)間。區(qū)間記作（1±δ），代表了SERS基片的均勻性。其中，δ即為此SERS增強基片在所

選區(qū)域內(nèi)不同位置處的誤差，δ越小，SERS增強基片越均勻。

圖1樣品均勻性測試流程圖

5試劑或材料

5.1SERS基片

5.2探針分子

5.3其他如去離子水、乙醇等。

6儀器設(shè)備

6.1激光共聚焦顯微拉曼儀

6.2超聲分散儀器

功率約不低于100W

6.3分析天平

精度不超過0.0001g

6.4其他如移液槍、鑷子等

7實驗過程

7.1樣品準備

利用分析天平稱取10-4mol探針分子，加入去離子水或乙醇中配置成100mL濃度為1mmol/L的溶液，

然后將SERS增強基片浸泡其中一段時間，取出，用溶劑沖洗，氮氣吹干，移出待檢。具體操作可參考

附錄A。

2

GB/TXXXXX—XXXX

7.2表征步驟

7.2.1根據(jù)JJF1544-2015拉曼光譜儀校準規(guī)范對激光共聚焦顯微拉曼儀進行校準。

7.2.2拉曼選擇成像模式，確定樣品測試區(qū)域，設(shè)置測試路徑及相關(guān)參數(shù)。

7.2.3測試并保存原始測試數(shù)據(jù)

7.3數(shù)據(jù)處理

7.3.1基線扣除

對成像數(shù)據(jù)進行背景扣除，減小熒光等光致發(fā)光的影響。

圖2SERS光譜基線扣除示例

7.3.2峰位選擇及面積計算

通過軟件自動尋峰并選擇峰形呈高斯分布（優(yōu)選），信噪比高的峰，利用軟件獲得峰面積數(shù)據(jù)。

圖3峰位選擇及面積獲取

7.3.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

積分計算所有光譜在某一固定特征峰位處的峰面積并取平均，以平均值為1進行歸一化，隨后利用

統(tǒng)計軟件獲取相對峰面積強度分布。以峰面積平均值所對應(yīng)的1為中心，向兩端選取相同的區(qū)間，使得

95%的譜峰落入此區(qū)間，所取區(qū)間的邊緣距離中心1的距離記為δ，此SERS增強基片在所選區(qū)域的均勻

性記作（1±δ）。

3

GB/TXXXXX—XXXX

圖4峰面積分布及均勻性數(shù)據(jù)獲得示意圖

7.4均勻性確定

SERS基底均勻性與所選擇區(qū)域一一對應(yīng)，如想獲得大面積范圍內(nèi)SERS增強基片均勻性，需在大面

積范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集。為獲得較為準確的均勻性數(shù)據(jù)，通常所選數(shù)據(jù)點不少于100個。

SERS增強基片的均勻性表述為（1±δ），δ為此SERS增強基片在所選區(qū)域內(nèi)的誤差，δ越小，SERS

增強基片越均勻。

注：高均勻性基底δ≤5%

中均勻性基底5%<δ≤15%

低均勻性基底δ>15%

8不確定度評估

——A類不確定度是對一系列觀測值進行統(tǒng)計分析的方法，用符號uA表示。在相同條件下對同一樣品

進行獨立測量，得到9個測得值為Hi（i=1,2,…,n），其算術(shù)平均值按公式（1）計算

1n

HHi……(1)

ni1

按公式（2）計算

n

2

(HiH)

i1

uA……(2)

n（n1）

——B類不確定度是設(shè)備校準引入的不確定度uB。

擴展不確定度是確定測量結(jié)果區(qū)間的量，合理賦予被測量之值分布的大部分可望含于此區(qū)間，用

U表示。對于正態(tài)分布，置信水平為95%時，對應(yīng)的k=2，則擴展不確定度按公式（3）計算

22

UkuAuB……(3)

4

GB/TXXXXX—XXXX

9測試報告

測試報告包括但不僅限于以下信息：

a)測試人員、日期

b)測試樣品來源、名稱、規(guī)格、數(shù)量、接收日期；

c)測定依據(jù)；

d)測試設(shè)備名稱、型號及試驗條件（溫度、濕度）

e)拉曼成像掃描條件（區(qū)域大小、激光波長、激光功率、X方向步長、Y方向步長、積分時間）

f)數(shù)據(jù)處理軟件

g)測試數(shù)據(jù)與結(jié)果

5

GB/TXXXXX—XXXX

AA

附錄A

（資料性附錄）

表面增強拉曼基片均勻性測定拉曼成像分析法示例

A.1概述

對于表面增強拉曼基片均勻性的測定，可通過拉曼成像分析法在規(guī)定區(qū)域內(nèi)至少100個不同位置處

獲取拉曼信號，利用統(tǒng)計分析獲得信號的分布特性，進而推算出拉曼增強基片的均勻性。增強拉曼基片

均勻性的測定過程主要包括樣品準備、表征步驟、數(shù)據(jù)處理、均勻性計算，可按如下步驟實施。

A.1.1樣品準備

用分析天平稱取4,4-聯(lián)吡啶（BiPy）粉末15.6mg，加入100mL乙醇，用300W超聲分散儀器超聲5

s，得到1mmol/L的BiPy乙醇溶液。

將SERS增強基片浸沒于少量上述BiPy標準溶液中10分鐘，取出，用乙醇沖洗后氮氣吹干，待檢。

A.1.2表征步驟

根據(jù)JJF1544-2015拉曼光譜儀校準規(guī)范對激光共聚焦顯微拉曼儀進行校準。將拉曼測試設(shè)置為成

像模式，選擇在聚焦清晰的1cm×1cm矩形樣品測試區(qū)域，設(shè)置掃描方向X的步長為1mm，掃描方向Y

的步長為1mm，激光波長為785nm，功率為0.3mW，積分時間為1s，積分次數(shù)為1。測試并保存原始數(shù)

據(jù)。

若測量更大區(qū)域內(nèi)的均勻性，可測定多塊小區(qū)域，通過拼接獲得整體均勻性數(shù)據(jù)。

A.1.3數(shù)據(jù)處理

A.1.3.1利用軟件NGSLabSpec導(dǎo)入SERS測量原始文件，文件類型為txt，如圖A.1。

6

GB/TXXXXX—XXXX

圖A.1NGSLabSpec軟件導(dǎo)入SERS檢測原始文件

A.1.3.2利用軟件對所選樣品進行背景扣除操作，可減少熒光等光致發(fā)光的影響。具體操作如下，點

擊Baseline圖標，在彈出的操作界面內(nèi)，選擇Auto，進行自動背景扣除并保存結(jié)果。

圖A.2扣除圖像背景的操作圖

A.1.3.3利用軟件的Peak功能，所測光譜中自動找到樣品的特征峰，如圖A.3，同時軟件能自動獲得

這些特征峰的峰面積，如圖A.4，選取特征峰信噪比較好，峰形分布較好的特征峰，記錄其峰面積。

圖A.3特征峰選取操作圖

7

GB/TXXXXX—XXXX

圖A.4特征峰面積讀取

A.1.3.4利用origin軟件分別對所有譜圖相同特征峰的峰面積進行統(tǒng)計，以峰面積的平均值為1進行歸

一化，隨后獲得相對峰面積的強度分布。

圖A.5利用origin軟件獲得特征峰相對面積分布

圖A.6SERS增強基片在所選區(qū)域的均勻性數(shù)據(jù)獲得

8

GB/TXXXXX—XXXX

A.1.3.5以峰面積的平均值為中心，向兩端選取相同的區(qū)間，使得占總數(shù)95%的譜峰落入此區(qū)間，所

取區(qū)間的邊緣距離中心1的距離記為δ，此SERS增強基片在所選區(qū)域的均勻性記作（1±δ）。

9

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目次

前言....................................................................................................................................................................II

引言..................................................................................................................................................................III

1范圍..............................................................................................................................................................1

2規(guī)范性引用文件..........................................................................................................................................1

3術(shù)語和定義..................................................................................................................................................1

4方法概要......................................................................................................................................................1

5試劑或材料..................................................................................................................................................2

6儀器設(shè)備......................................................................................................................................................2

7實驗過程......................................................................................................................................................2

8不確定度評估..............................................................................................................................................4

9測試報告......................................................................................................................................................5

附錄A（資料性附錄）表面增強拉曼基片均勻性測定拉曼成像分析法實例.......................................6

I

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引言

表面增強拉曼光譜（SurfaceEnhancedRamanSpectroscopy，SERS）技術(shù)靈敏度高，能在痕量濃度

范圍內(nèi)給出關(guān)于試樣的結(jié)構(gòu)特征、吸附狀態(tài)等豐富信息，在環(huán)境檢測、食品安全、生物制藥等領(lǐng)域已顯

示出巨大的應(yīng)用前景。

目前SERS技術(shù)在食品快檢領(lǐng)域已發(fā)展成為一項必備檢測技術(shù)。

SERS技術(shù)的核心是SERS基底，其通過貴金屬（金、銀、銅等）納米結(jié)構(gòu)的光電場增強特性，放

大被測物質(zhì)的拉曼信號。目前常見的SERS基底主要分為液相納米溶膠和固相基片。固相基片預(yù)先將納

米結(jié)構(gòu)固定在固態(tài)基片上，具有易于修飾、無溶劑干擾的特點，在SERS信號穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、標準數(shù)

據(jù)獲取以及應(yīng)用范圍方面具有優(yōu)勢，正越來越受到市場青睞。以固相SERS基片為基礎(chǔ)，可以發(fā)展面向

食品檢測、生物醫(yī)藥分析等多個方向的應(yīng)用檢測基片，將產(chǎn)生巨大的潛在市場。

但由于缺乏相關(guān)的性能評價標準，市場上的固相SERS基片質(zhì)量參差不齊，難以獲得市場普遍認可，

阻礙了SERS技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。因此，建立科學(xué)的固相基片質(zhì)量評價體系是SERS技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，也

是SERS技術(shù)當(dāng)下急需解決的問題。

固相SERS基片評價標準最基礎(chǔ)的質(zhì)量指標之一是固相SERS基片的均勻性，其用于描述基底不同

位置處的SERS活性差異。均勻性不佳的基底不同位置處的信號差別較大，易導(dǎo)致測量試樣的信號失

真，影響測試結(jié)果的重現(xiàn)性和可信度。由于缺乏相關(guān)的均勻性評價標準，目前市售固相SERS基片的實

際使用體驗與宣傳的“均勻性良好”不符，降低了測量結(jié)果的可信度。

本標準提出利用拉曼光譜成像法來檢測固相SERS基片均勻性的方法，同時給出了固相SERS基片

均勻性的質(zhì)量評價參考標準，有利于提高SERS檢測結(jié)果的重現(xiàn)性和可信度。

III

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表面增強拉曼固相基片均勻性測定拉曼光譜成像分析法

1范圍

本標準規(guī)定了固相SERS基片均勻性測定的原理、儀器要求、樣品準備、表征步驟及結(jié)果表示等。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T30544.6-2016納米科技術(shù)語第6部分:納米物體表征

GB/T33252-2016納米技術(shù)激光共聚焦顯微拉曼光譜儀性能測試

JJF1544-2015拉曼光譜儀校準規(guī)范

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1拉曼效應(yīng)Ramaneffect

單色光照射物質(zhì)引起的非彈性散射，其特征是轉(zhuǎn)動或振動等元激發(fā)引起的光的頻移。

3.2拉曼光譜Ramanspectroscopy

用拉曼效應(yīng)（3.1）檢測樣品能級的光譜方法。

3.3表面增強拉曼光譜SurfaceenhancedRamanspectroscopy；SERS

一種光譜方法，其原理是利用在合適波長的光照射下，吸附在具有納米尺度粗糙度的特定金屬表面

的某些分子或納米物體所呈現(xiàn)的拉曼效應(yīng)增強的現(xiàn)象。

注1：觀測到不同程度增強的典型金屬包括Au、Ag、Cu和Al。

注2：為了發(fā)生增強，表面粗糙度通常在幾十納米范圍內(nèi)。

3.4固相SERS基片SolidSERSsubstrate

具有SERS效應(yīng)的固相基片。

3.5激光共聚焦拉曼光譜儀ConfocalRamanspectrometer

以激光為光源，具有共聚焦功能的拉曼光譜儀。

3.6拉曼成像分析Ramanmappinganalysis

在待測物表面選定區(qū)域獲得一系列拉曼信號，運用統(tǒng)計方法進行數(shù)據(jù)分析并成像的分析。

1

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4方法概要

通過溶液浸泡，在SERS增強基片表面吸附探針分子并晾干。選取某一區(qū)域進行拉曼成像檢測，采

集相應(yīng)數(shù)據(jù)。選取所有譜圖中某一固定位置的特征峰，讀取其峰面積。以峰面積的平均值為1進行歸一

化，并獲得峰面積的強度分布。以平均值所對應(yīng)的1為中心，向前后選取相同的區(qū)間，使占總數(shù)量95%

的譜峰落入此區(qū)間。區(qū)間記作（1±δ），代表了SERS基片的均勻性。其中，δ即為此SERS增強基片在所

選區(qū)域內(nèi)不同位置處的誤差，δ越小，SERS增強基片越均勻。

圖1樣品均勻性測試流程圖

5試劑或材料

5.1SERS基片

5.2探針分子

5.3其他如去離子水、乙醇等。

6儀器設(shè)備

6.1激光共聚焦顯微拉曼儀

6.2超聲分散儀器

功率約不低于100W

6.3分析天平

精度不超過0.0001g

6.4其他如移液槍、鑷子等

7實驗過程

7.1樣品準備

利用分析天平稱取10-4mol探針分子，加入去離子水或乙醇中配置成100mL濃度為1mmol/L的溶液，

然后將SERS增強基片浸泡其中一段時間，取出，用溶劑沖洗，氮氣吹干，移出待檢。具體操作可參考

附錄A。

2

GB/TXXXXX—XXXX

7.2表征步驟

7.2.1根據(jù)JJF1544-2015拉曼光譜儀校準規(guī)范對激光共聚焦顯微拉曼儀進行校準。

7.2.2拉曼選擇成像模式，確定樣品測試區(qū)域，設(shè)置測試路徑及相關(guān)參數(shù)。

7.2.3測試并保存原始測試數(shù)據(jù)

7.3數(shù)據(jù)處理

7.3.1基線扣除

對成像數(shù)據(jù)進行背景扣除，減小熒光等光致發(fā)光的影響。

圖2SERS光譜基線扣除示例

7.3.2峰位選擇及面積計算

通過軟件自動尋峰并選擇峰形呈高斯分布（優(yōu)選），信噪比高的峰，利用軟件獲得峰面積數(shù)據(jù)。

圖3峰位選擇及面積獲取

7.3.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

積分計算所有光譜在某一固定特征峰位處的峰面積并取平均，以平均值為1進行歸一化，隨后利用

統(tǒng)計軟件獲取相對峰面積強度分布。以峰面積平均值所對應(yīng)的1為中心，向兩端選取相同的區(qū)間，使得

95%的譜峰落入此區(qū)間，所取區(qū)間的邊緣距離中心1的距離記為δ，此SERS增強基片在所選區(qū)域的均勻

性記作（1±δ）。

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GB/TXXXXX—XXXX

圖4峰面積分布及均勻性數(shù)據(jù)獲得示意圖

7.4均勻性確定

SERS基底均勻性與所選擇區(qū)域一一對應(yīng)，如想獲得大面積范圍內(nèi)SERS增強基片均勻性，需在大面

積范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集。為獲得較為準確的均勻性數(shù)據(jù)，通常所選數(shù)據(jù)點不少于100個。

SERS增強基片的均勻性表述為（1±δ），δ為此SERS增強基片在所選區(qū)域內(nèi)的誤差，δ越小，SERS

增強基片越均勻。

注：高均勻性基底δ≤5%

中均勻性基底5%<δ≤15%

低均勻性基底δ>15%

8不確定度評估

——A類不確定度是對一系列觀測值進行統(tǒng)計分析的方法，用符號uA表示。在相同條件下對同一樣品

進行獨立測量，得到9個測得值為Hi（i=1,2,…,n），其算術(shù)平均值按公式（1）計算

1n

HHi……(1)

ni1

按公式（2）計算

n

2

(HiH)

i1

uA