表面增强拉曼散射
药物分析中的表面增强拉曼散射探针应用
药物分析中的表面增强拉曼散射探针应用药物研发与分析是现代医药领域中至关重要的一环。
近年来，表面增强拉曼散射技术作为一种高灵敏度和高分辨率的非侵入性分析方法，被广泛应用于药物分析领域。
本文将探讨表面增强拉曼散射探针在药物分析中的应用，以及其在提高产业效益和加速药物研发过程中的潜在价值。
一、表面增强拉曼散射技术简介表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering，SERS）技术是一种将表面增强效应与拉曼散射相结合的方法。
通过将待测物质与金属纳米材料（如银、金纳米颗粒）接触，可使其表面增强效应显著提高。
当激光照射到样品表面时，被测物质的振动模式与金属纳米颗粒之间的相互作用将导致拉曼散射信号的增强，从而提高了探测灵敏度。
二、表面增强拉曼散射探针在药物分析中的应用1. 药物成分定量分析传统的药物分析方法如高效液相色谱法和质谱法能够实现对复杂药物混合物的定性鉴定，但在定量分析方面存在一定的局限性。
而表面增强拉曼散射技术通过其高灵敏度和特异性的鉴别能力，可以实现对药物成分的定量测定。
通过建立Calibration模型，可以利用表面增强拉曼散射信号与样品中成分浓度之间的相关性，实现对药物成分的准确测量。
2. 药物结构分析药物的分子结构对其药理作用和药代动力学具有重要影响。
表面增强拉曼散射技术的高分辨率和特异性使其成为药物结构分析的有效工具。
通过对药物样品进行SERS实验，可以获取到药物分子的拉曼光谱信息，并通过与数据库中已知化合物的比对，辅助鉴定药物的化学成分和结构。
3. 药物质量控制药物的质量控制是保证药物安全和疗效的重要环节。
传统的质量控制方法如红外光谱法和核磁共振法在一定程度上受到样品制备和仪器性能的限制。
而表面增强拉曼散射技术不依赖于样品的制备方法，具有非破坏性和快速分析的特点，使其成为药物质量控制的理想手段。
通过建立合适的质量指标和标准库，可以利用表面增强拉曼散射技术实现对药物的快速筛查和质量鉴定。
表面增强拉曼散射(SERS)光谱简介
表面增强拉曼散射(SERS)光谱简介1.拉曼光谱简介：光与物质分子的碰撞可以分为两类，即弹性碰撞和非弹性碰撞。
光的散射可以看作是光子与物质碰撞后运动方向的改变。
如果发生的是弹性碰撞，即光子仅改变运动方向而在碰撞过程中没有发生能量交换，这种散射为瑞利散射(Rayleigh scattering)；如果发生的是非弹性碰撞，即光子不仅发生了运动方向的改变，而且在碰撞过程中有能量交换，这种散射就是拉曼散射(Raman scattering)。
结合图1我们可以更加清楚地了解光的散射过程。
图1 瑞利散射与拉曼散射的基本原理在激发光的激发下，分子从它的某一振动态(基态或激发态)跃迁到一个激发虚态，在皮秒时间尺度内跃迁回基态，同时伴随着光子的释放。
这时，大部分跃迁回基态时所释放的光子的波长与激发光相同，就是瑞利散射线。
另有少数光子的波长与激发光不同，即拉曼散射线，该散射又可以分为两类(见图1)：Stokes 散射和反Stokes散射。
由于常温下处于振动基态的分子数远多于处于振动激发态的分子数，所以Stokes谱线要比反Stokes线强得多。
拉曼光谱所关心的是拉曼散射光与入射光频率的差值，即拉曼频移。
不同的激发光所产生的拉曼散射光频率也不相同，但是拉曼频移是相同的。
拉曼频移表征的是化合物的振动—转动能级，在这一点上拉曼光谱与红外光谱是十分相似的[1,2]。
拉曼光谱是一项重要的现代光谱技术，它的应用早已超出化学、物理的范畴，渗透到生物学、矿物学、材料学、考古学和工业产品质量控制等各个领域，成为研究分子结构和组态、确定晶体结构的对称性、研究固体中的缺陷和杂质、环境污染物、生物分子和工业材料微观结构的有力工具。
2.表面增强拉曼散射(SERS)简介：表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering)最早是由Fleishmann 等人[3]于1974年发现。
他们在研究电化学电池内银电极上吸附的吡啶分子的拉曼光谱时发现其谱线强度有明显增强，对此他们解释为电极表面粗糙化引起电极表面积的增加。
SERS(表面增强拉曼散射)理论
SERS 的物理类模型物理类模型致力于阐释金属表面局域场的增强，它的主要代表包括表面电磁增强模型和镜像场模型。
1、表面电磁增强模型（Electromagnetic Enhancemant Model ，简记为EM ）表面电磁增强模型[5~7]又可称为表面等离子体共振模型，它认为一个吸附在金属表面的分子的诱发偶极矩是通过金属椭球由入射场和散射场共同产生的。
对于椭球比光波波长小的情况，在频率与偶极表面等离子体共振时，散射场比入射场大，这可以看作是椭球外部空间的场密度的影响。
因此拉曼散射场会与金属颗粒的强散射场引起的金属颗粒表面的等离子体振荡发生共振，这种共振的结果使振荡分子产生了非常大的能量。
如图2－1所示，把一个可以看成经典电偶极子的分子放在球形金属颗粒外的r 'ρ处，以频率为ω0的平面波照射，分子偶极子会产生频率为ω的拉曼散射，其偶极矩为：),(),(00ωαωr E r P P ρρρρ•'=' (2-1)这里的α'是分子的拉曼极化率而P E ρ包括两部分：),(),(),(000ωωωr E r E r E LM i P '+'='ρρρρρρ (2-2)其中i E ϖ是入射场的场强，LM E ρ是用Lorenz-Mie 理论计算获得的散射场场强。
在观察点r ρ处与拉曼散射相关的电场由下式给出),(),(),(ωωωr E r E r E sc dip R ρρρρρρ+=(2-3)图2－1 纳米颗粒表面增强散射示意图其中，dip E ρ是球形颗粒不存在时振荡偶极子P ρ发射的场，sc E ρ是由球形颗粒产生的必须满足频率ω的边值问题的散射场。
拉曼散射的强度R I 是远场振幅R E ρ的平方：2/)ex p(),(lim r ikr r E I R kr R ωϖϖ∞→=，增强因子G 定义为0R R I I G =，其中0R I 是在金属球形颗粒不存在时的拉曼强度。
sers概念
SERS概念
增强拉曼散射(Surface Enhanced Resonance Scattering，简称SERS)是一种表面增强现象，它是指在某些金属或金属氧化物表面，当入射光的频率与金属的表面等频率相近，且入射光的光强足够强时，金属表面会产生局域表面等离子体激元（Localized Surface Plasmons，LSPs），并使光强在表面附近达到很高的值，从而显著增强拉曼散射强度的现象。
SERS的原理可以简单地概括为：当光照射在金属表面时，金属表面会激发出表面等离子体，这些等离子体的振动和传播会与周围的介质相互作用，形成共振，从而使得拉曼散射的强度显著增强。
这种现象通常在金属纳米颗粒表面或金属纳米线阵列表面上发生，这些表面由于具有局域表面等离子体激元，可以极大地增强拉曼散射的强度和灵敏度。
SERS现象的发现和应用推动了表面增强拉曼散射技术的发展，这种技术已经被广泛应用于生物医学、环境监测、材料科学、食品安全等领域。
例如，在生物医学领域，SERS 可以用于检测生物分子、药物等的浓度和活性；在环境监测领域，SERS可以用于监测环境中的污染物和有害物质；在材料科学领域，SERS可以用于研究材料的表面和界面性质，以及材料的催化、磁性、光学性质等。
总之，增强拉曼散射是一种表面增强现象，它利用金属
纳米颗粒或金属纳米线表面局域表面等离子体激元的特性，显著增强拉曼散射强度，从而在生物医学、环境监测、材料科学等领域具有广泛的应用。
表面增强拉曼的原理及应用
表面增强拉曼的原理及应用1. 概述表面增强拉曼（Surface-enhanced Raman scattering，SERS）是一种非常强大的光谱技术，可用于检测微量物质的存在和分析。
它通过在表面上形成非常小的金属结构，增强了物质的拉曼散射信号，使其变得更容易检测和分析。
本文将介绍表面增强拉曼的原理以及其在多个领域的应用。
2. 原理表面增强拉曼的原理是基于拉曼散射现象以及金属表面等效电荷振荡的效应。
拉曼散射是当光与物质相互作用时，光子会与物质中的分子发生能量交换，导致光的频率和强度的微小改变。
而金属表面的等效电荷振荡则可以产生电场增强效应，使得物质的拉曼散射信号被大幅增强。
3. 实现方式为了实现表面增强拉曼效应，需要在金属表面上形成一些特殊的结构，如纳米颗粒、纳米棒、纳米壳等。
这些结构可以通过多种方法制备，如溶液合成、电化学沉积、光刻和电子束曝光等。
制备出的结构具有高度的吸收和散射能力，可以增强物质的拉曼散射信号。
4. 应用领域表面增强拉曼技术在多个领域有广泛的应用，以下是一些典型的应用领域：4.1 化学分析表面增强拉曼技术在化学分析中有着重要的应用。
由于其高灵敏度和选择性，可以用于检测和分析微量的有机物、无机物和生物分子。
例如，可以用于食品安全领域的农药残留检测、水质监测和环境污染分析等。
4.2 生物医学表面增强拉曼技术在生物医学领域也有着广泛的应用。
可以用于细胞分析、蛋白质标记和药物控释等研究。
此外，还可以通过表面增强拉曼技术进行肿瘤诊断和药物疗效监测。
4.3 环境监测表面增强拉曼技术可用于环境监测和污染物分析。
可以通过监测空气中的微量有害气体、土壤中的重金属离子等，实现对环境污染的快速检测和评估。
4.4 材料科学表面增强拉曼技术在材料科学领域也有广泛的应用。
可以用于研究材料的表面结构和性质，例如薄膜、纳米颗粒和涂层材料等。
可以通过分析拉曼光谱，了解材料的成分、晶格缺陷和界面特性。
5. 未来发展趋势表面增强拉曼技术在过去几十年取得了显著的进展，但仍然存在一些挑战和改进空间。
纳米材料中的表面增强拉曼散射研究
纳米材料中的表面增强拉曼散射研究拉曼散射是一种散射光谱技术，通过研究物质分子与激光光束相互作用时，散射出的光波长的变化，可以获取物质的结构和特性信息。
然而，传统的拉曼散射技术由于信号弱，往往需要高浓度和大体积的样品，限制了其应用范围。
而近几十年来，科学家们发现，在纳米结构或纳米颗粒的表面上，由于电场增强作用，能够显著增强散射光的强度，称为表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）。
纳米材料中的表面增强拉曼散射研究，成为了当前领域的热门话题。
表面增强拉曼散射的核心原理是电场增强效应。
当纳米材料表面存在高局域电场时，可使分子振动引起的散射光谱中的特征峰增强几百到几千倍。
其主要机理有两种，一种是电磁场增强效应，即电磁场垂直于纳米结构表面产生电子极化；另一种是化学增强效应，即通过化学吸附或电转移来提供增强效应。
这种表面增强效应引起的散射光信号变强，使得在低浓度和小体积样品中也能获得高质量的拉曼光谱，将其应用于广泛的领域。
第一，纳米材料中的表面增强拉曼散射在生物医学领域有着重要的应用。
生物分子的特征拉曼光谱可以提供分子结构、构象和动力学等信息，可以帮助诊断疾病、研究生物反应等。
通过在纳米结构上修饰适当的分子，可以实现具有高灵敏度和高选择性的生物传感器，用于检测和诊断癌症、传染病等。
第二，纳米材料中的表面增强拉曼散射在环境监测中也具有广泛的应用前景。
传统的拉曼散射技术在痕量环境污染物的检测方面存在一定的局限性，而通过表面增强拉曼散射技术，可以实现对环境污染物的快速、高灵敏度的检测，比如水中重金属离子、有机污染物等。
第三，纳米材料中的表面增强拉曼散射在化学催化和能源存储领域也有着重要的应用。
通过调控纳米材料的形状、尺寸和结构，可以实现针对特定催化反应的高效催化剂。
同时，纳米材料中的表面增强拉曼散射也为电化学能源存储器件，如锂离子电池、燃料电池等，提供了先进的光谱表征技术。
表面增强拉曼散射
04
表面增强拉曼散射的挑战 与前景
当前面临的挑战
信号增强效果有限
尽管表面增强拉曼散射技术已经取得了显著的进展，但目 前仍面临着信号增强效果有限的挑战，需要进一步改进和 优化。
稳定性问题
表面增强拉曼散射的稳定性问题也是当前面临的一个重要 挑战，需要解决不同实验条件下的重复性和可重复性问题。
难以实现大面积均匀增强
拉曼散射是由于物质的分子振动或转动引起的，散射光的频率与入射光的频率不同， 产生拉曼位移。
拉曼散射的强度较低，通常只有入射光的10^-5至10^-9，因此需要高灵敏度的检 测器进行测量。
表面增强效应
表面增强效应是指当光照射在某些特定的 粗糙金属表面时，会在金属表面产生局域 电场，使得散射强度大幅度增加的现象。
程和机理。
表面增强效应机制
03
表面增强拉曼散射技术有助于深入理解表面增强效应的物理机
制。
在其他领域的应用
医学诊断
表面增强拉曼散射技术可用于医学诊断，如癌症细胞的识别和诊 断。
能源领域
表面增强拉曼散射技术在太阳能电池、燃料电池等能源领域有广 泛应用。
光学器件
表面增强拉曼散射技术有助于提高光学器件的性能和稳定性。
表面增强拉曼散射在生物医学、环境监测、食 品安全等领域具有广泛的应用前景，为解决实 际问题提供了有力支持。
对未来研究的建议和展望
进一步深入研究表面增强拉曼 散射的机制和原理，探索更有 效的增强方法和手段，提高检
测灵敏度和分辨率。
拓展表面增强拉曼散射在各个 领域的应用，特别是在生物医 学领域，如疾病诊断、药物研 发和生物分子相互作用等方面
表面增强效应通常发生在波长范围较 窄的光的散射中，使得拉曼散射的信 号增强数个数量级。
表面增强拉曼散射技术在化学生物传感中的应用
表面增强拉曼散射技术在化学生物传感中的应用引言：近年来，随着化学生物传感技术的发展，表面增强拉曼散射技术（Surface-enhanced Raman Scattering, SERS）作为一种快速、高灵敏度的方法，被广泛应用于化学生物传感领域。
本文将重点介绍SERS技术的原理和应用，以及其在化学生物传感中的应用。
一、SERS技术原理SERS技术是在金属表面上产生的表面增强拉曼散射效应的基础上发展起来的。
SERS效应是基于拉曼散射效应的一种增强现象，通过在金属纳米结构表面吸附分子来使其拉曼散射信号变得更强，并且具有高灵敏度和高选择性。
SERS技术的原理包括两个主要方面：1. 表面增强效应：当分子吸附在金属表面时，金属纳米结构表面的局域电子场可引起电荷分离和极化，从而增强分子的电场效应。
这种增强效应使得分子的拉曼散射截面积增大了数千倍，从而提高了拉曼信号的强度。
2. 化学增强效应：金属表面的化学反应也可以增强SERS 效果。
例如，金属纳米结构表面的氧化物或腐蚀产物能够与吸附分子发生化学反应，从而引起拉曼信号的增强。
二、SERS技术在化学传感中的应用1. 分子检测和识别：SERS技术能够对不同分子进行快速、准确的检测和识别。
通过金属纳米结构表面的增强效应，对吸附分子的拉曼散射信号进行放大，从而实现对微量分子的高灵敏检测。
SERS技术广泛应用于食品安全领域，如检测农药残留、食品添加剂、重金属等。
2. 生物传感和分析：SERS技术在生物传感和分析领域也有广泛的应用。
例如，通过将金属纳米结构修饰在生物传感器表面，可以实现对生物标志物的快速检测。
SERS技术的高灵敏度和选择性使得它成为研究和诊断癌症、感染疾病等生物医学问题的重要工具。
3. 药物分析和研究：SERS技术在药物分析和研究中也发挥了重要作用。
通过SERS技术可以实现对药物的定量和定性分析，同时可以研究药物的结构和相互作用。
这对于药物研发、药物代谢研究等具有重要意义。
表面增强拉曼散射技术
表面增强拉曼散射技术表面增强拉曼散射技术表面增强拉曼散射技术(SENS)是一种量子化学研究中广泛使用的技术，它可以有效地检测到物质表面的结构、组成及其化学反应。
其优越性在于，它可以在非破坏性的条件下，对物质的微观结构和宏观特性进行分析，而且其灵敏度比其他化学检测技术都高出许多。
1. 原理及特点SENS技术主要是通过表面增强效应将物质表面的拉曼信号增强，在表面缺陷、形貌、组成和外加电场等作用下，产生强烈的增强效应。
其原理是物质吸收激光后，分子振动使其产生散射，通过拉曼散射进行探测。
而在表面增强效应下，可以使散射产生的强度增强三到六个数量级，从而使样品的信号强度和检测灵敏度大大提高，达到纳米尺度级别的检测。
2. 应用领域SENS技术在化学、生物医学、材料科学等领域均得到广泛的应用。
在化学领域中，SENS技术具有高灵敏度、高分辨率等优点，可以用来检测分子的结构、动力学信息和红外和紫外光谱之外的信息。
在生物医学领域，SENS技术可以应用于细胞、纳米粒子、蛋白质等生物分子的探测，对于癌症筛查、病原体检测和生物分子的鉴定等都有很好的应用前景。
在材料科学领域，SENS技术可以通过纳米刻蚀、介电层制备等方法来实现，可以检测大面积样品和高品质量样品。
3. 场景展望虽然SENS技术在学术和产业界都得到了广泛的应用，但随着技术的发展和市场需求的提升，研究者对其应用领域的拓宽和技术的不断改进与完善已成为了当前的一个重要趋势。
在化学领域，研究人员可以考虑开发新的金属纳米颗粒和有机分子路线，提高技术的检测灵敏度和准确性。
在生物医学领域，可以探索应用SENS技术进行新冠病毒检测，利用紫外激光对样品进行胁迫，提高样品检测的稳定性和可靠性。
在材料科学领域，可以探索应用SENS技术开发高精度的失谐谐振器、高效的介电聚合反应路线等，提高样品加工的效率和质量。
总之，SENS技术的优越性和多样化应用前景，使得它成为了当前化学、生物医学、材料科学等领域研究的重点之一。
SERS(表面增强拉曼散射)理论
SERS 的物理类模型物理类模型致力于阐释金属表面局域场的增强，它的主要代表包括表面电磁增强模型和镜像场模型。
1、表面电磁增强模型（Electromagnetic Enhancemant Model ，简记为EM ）表面电磁增强模型[5~7]又可称为表面等离子体共振模型，它认为一个吸附在金属表面的分子的诱发偶极矩是通过金属椭球由入射场和散射场共同产生的。
对于椭球比光波波长小的情况，在频率与偶极表面等离子体共振时，散射场比入射场大，这可以看作是椭球外部空间的场密度的影响。
因此拉曼散射场会与金属颗粒的强散射场引起的金属颗粒表面的等离子体振荡发生共振，这种共振的结果使振荡分子产生了非常大的能量。
如图2－1所示，把一个可以看成经典电偶极子的分子放在球形金属颗粒外的r ' 处，以频率为ω0的平面波照射，分子偶极子会产生频率为ω的拉曼散射，其偶极矩为：),(),(00ωαωr E r P P •'=' (2-1)这里的α'是分子的拉曼极化率而P E 包括两部分：),(),(),(000ωωωr E r E r E LM i P '+'=' (2-2)其中i E 是入射场的场强，LM E 是用Lorenz-Mie 理论计算获得的散射场场强。
在观察点r 处与拉曼散射相关的电场由下式给出),(),(),(ωωωr E r E r E sc dip R +=(2-3)图2－1 纳米颗粒表面增强散射示意图其中，dip E 是球形颗粒不存在时振荡偶极子P 发射的场，sc E 是由球形颗粒产生的必须满足频率ω的边值问题的散射场。
拉曼散射的强度R I 是远场振幅R E 的平方：2/)ex p(),(lim r ikr r E I R kr R ω ∞→=，增强因子G 定义为0R R I I G =，其中0R I 是在金属球形颗粒不存在时的拉曼强度。
那么在小颗粒的限制下，增强因子可由下式给出：[]230333033303)(3)1/()1/()(3i n n r g a r i r g a g a r i i n n g a i G ⋅+'+'-'+'-⋅+=(2-4) 这里的i 指入射场在r '处的偏振态，也就是()i E r E i 00,='ω，r r n ''=/ ，g和g 0是表达式()()21+-εε在ω和ω0处的值，其中ε是胶体颗粒与周围物质的复合介电函数的比值。
表面增强拉曼散射通用课件
利用专业软件对处理后的数据进行进 一步分析，如谱峰识别、强度计算、 对比分析等，以得出实验结论和解释 。
04
表面增强拉曼散射在生物医学中的 应用
在药物研发中的应用
药物筛选
表面增强拉曼散射技术可用于筛 选与特定生物分子相互作用的药 物分子，提高药物研发的效率和 成功率。
药物作用机制研究
通过观察药物与生物分子相互作 用过程中的拉曼光谱变化，可以 深入了解药物的作用机制和靶点 。
共振峰移动
随着金属纳米结构的尺寸、形状和周 围环境的变化，表面等离子体共振峰 的位置也会发生移动。
03
表面增强拉曼散射的实验技术
基底的选择与制备
基底选择
根据实验需求选择合适的基底，如金属（如金、银、铜等）或半导体（如硅） 基底。
基底制备
对所选基底进行表面处理，如清洗、干燥、抛光等，以确保其表面质量和一致 性。
表面增强拉曼散射通用课 件
目录
CONTENTS
• 表面增强拉曼散射概述 • 表面增强拉曼散射的物理机制 • 表面增强拉曼散射的实验技术 • 表面增强拉曼散射在生物医学中的应用 • 表面增强拉曼散射的挑战与前景 • 表面增强拉曼散射的案例分析
01
表面增强拉曼散射概述
定义与原理
定义
表面增强拉曼散射（SERS）是一种光谱技术，用于检测和表征吸附在特定金属表面上的分子的振动和转动模式 。
SERS技术不断创新和发展， 成为研究分子结构和相互作用
的有力工具。
应用领域
生物传感
SERS技术可用于检测生物分子 ，如DNA、蛋白质和细胞等，用 于疾病诊断和生物科学研究。
表面科学
SERS技术可用于研究表面结构 和性质，为材料科学和表面工程 提供重要信息。
表面增强拉曼散射(SERS)光谱简介
表面增强拉曼散射(SERS)光谱简介1.拉曼光谱简介：光与物质分子的碰撞可以分为两类，即弹性碰撞和非弹性碰撞。
光的散射可以看作是光子与物质碰撞后运动方向的改变。
如果发生的是弹性碰撞，即光子仅改变运动方向而在碰撞过程中没有发生能量交换，这种散射为瑞利散射(Rayleigh scattering)；如果发生的是非弹性碰撞，即光子不仅发生了运动方向的改变，而且在碰撞过程中有能量交换，这种散射就是拉曼散射(Raman scattering)。
结合图1我们可以更加清楚地了解光的散射过程。
图1 瑞利散射与拉曼散射的基本原理在激发光的激发下，分子从它的某一振动态(基态或激发态)跃迁到一个激发虚态，在皮秒时间尺度内跃迁回基态，同时伴随着光子的释放。
这时，大部分跃迁回基态时所释放的光子的波长与激发光相同，就是瑞利散射线。
另有少数光子的波长与激发光不同，即拉曼散射线，该散射又可以分为两类(见图1)：Stokes 散射和反Stokes散射。
由于常温下处于振动基态的分子数远多于处于振动激发态的分子数，所以Stokes谱线要比反Stokes线强得多。
拉曼光谱所关心的是拉曼散射光与入射光频率的差值，即拉曼频移。
不同的激发光所产生的拉曼散射光频率也不相同，但是拉曼频移是相同的。
拉曼频移表征的是化合物的振动—转动能级，在这一点上拉曼光谱与红外光谱是十分相似的[1,2]。
拉曼光谱是一项重要的现代光谱技术，它的应用早已超出化学、物理的范畴，渗透到生物学、矿物学、材料学、考古学和工业产品质量控制等各个领域，成为研究分子结构和组态、确定晶体结构的对称性、研究固体中的缺陷和杂质、环境污染物、生物分子和工业材料微观结构的有力工具。
2.表面增强拉曼散射(SERS)简介：表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering)最早是由Fleishmann 等人[3]于1974年发现。
他们在研究电化学电池内银电极上吸附的吡啶分子的拉曼光谱时发现其谱线强度有明显增强，对此他们解释为电极表面粗糙化引起电极表面积的增加。
SERS表面增强拉曼散射效应解释与利用
SERS表面增强拉曼散射效应解释与利用引言：在现代科学技术的发展中，SERS（表面增强拉曼散射）效应作为一种非常重要的表征和分析方法，已经被广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。
本文将对SERS效应进行详细解释，并介绍其在各个领域中的应用。
一、SERS效应的解释：1. 拉曼散射：拉曼散射效应是指光束在与物质相互作用之后发生频率的改变，从而产生散射光谱。
通过测量拉曼散射光谱，可以得到物质的结构和性质信息。
2. 表面增强拉曼散射效应：SERS效应是指在金属表面附近胶凝有待测分子时，分子的拉曼散射信号会被显著增强的现象。
这种增强效应的原因主要有两个方面：电磁增强和化学增强。
3. 电磁增强：金属纳米颗粒表面存在表面等离子体共振，当入射光与共振频率一致时，可以产生极强的电磁场。
待测分子与这个电磁场相互作用，导致拉曼信号的增强。
4. 化学增强：金属表面与待测分子之间发生化学吸附或化学反应，使得分子振动模式的偶极矩增大，从而增强了拉曼散射信号。
这种效应依赖于金属表面的活性。
二、SERS效应的特点：1. 极高的灵敏度：由于SERS效应可以增强原本微弱的拉曼散射信号，因此可以检测到非常低浓度的待测物质，甚至在单分子水平上进行分析。
2. 高分辨率和特异性：SERS技术可以提供非常详细的结构信息，对于复杂的样品也能够实现特异性分析，从而提高了分析结果的可靠性和准确性。
3. 非破坏性：SERS技术基于光波与待测分子之间的相互作用，不需要对样品进行破坏性的处理，可以对生物样品进行原位、实时、无损的分析。
三、SERS效应在生物医学中的应用：1. 癌症早期诊断：SERS技术结合特定靶向分子，可以实现对癌症早期信号分子的检测，从而实现早期诊断和治疗。
2. 药物传输和释放：利用SERS技术可以实现对药物的定量测量和释放过程的监测，为药物研发和治疗提供重要的信息。
3. 细胞成像和分析：SERS技术能够提供细胞内部结构的高分辨率成像，以及对细胞代谢等生物过程的分析，助力生物学研究和医学诊断。
表面增强拉曼散射技术的研究进展
表面增强拉曼散射技术的研究进展表面增强拉曼散射技术（Surface Enhanced Raman Scattering, SERS）是一种基于表面增强效应的非常敏感的分析技术，其灵敏度达到了单分子检测的水平。
在过去的几十年中，SERS已经得到了广泛的应用，包括化学、生物学、环境科学和材料科学等领域。
本文将重点讨论SERS技术的研究进展，包括SERS的基本原理、SERS的增强机制、SERS的表面化学、SERS的探测策略和SERS的应用前景。
一、基本原理SERS主要是通过表面增强效应提高样品的拉曼散射信号，其基本原理是将样品吸附在有金或银纳米颗粒表面上，然后通过激光引起表面等离子体共振，从而引起拉曼散射信号的增强。
SERS的灵敏度是普通拉曼的10^6-10^8倍，使得其可以在极低的样品浓度下实现化学和生物分子的高灵敏度检测和成像。
同时，SERS还可以与光学光谱技术相结合，如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、表面等离子体共振等，扩展SERS的应用范围。
因此，SERS技术被广泛应用于化学、生物学、医学和材料等领域。
二、增强机制为了实现SERS的高灵敏度，研究人员已经做了大量的工作来探索SERS的增强机制，包括电磁增强、化学增强和共振增强等机制。
电磁增强是指金属纳米颗粒表面激发的表面等离子体共振增强电场和光场，从而增强了样品的拉曼散射信号。
化学增强是指当分子与金属表面之间形成的电子转移和化学键形成时，分子的电荷分布会发生变化，从而改变了拉曼散射的强度。
共振增强是指在共振条件下，激发分子的特定振动模式，从而增强了拉曼散射信号。
三、表面化学在SERS实验室中，常用的金属纳米颗粒包括金、银和铜等，它们可以通过化学合成的方法来制备，并且可以对其形状、大小和表面修饰等进行调节。
这些金属颗粒在SERS过程中起着关键的作用，在分子的拉曼散射信号增强中起着重要作用。
此外，SERS表面化学在实际应用中也非常重要，包括表面修饰和表面包装等。
药物分析中的表面增强拉曼散射探针性能评估
药物分析中的表面增强拉曼散射探针性能评估药物分析是现代药学领域中的一个重要分支，它通过各种技术手段对药物样品进行分析和评估，从而确保药物的质量和安全性。
表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering，SERS）作为一种强大的分析工具，在药物分析中得到了广泛应用。
本文将对药物分析中的表面增强拉曼散射探针性能进行评估。
一、背景介绍表面增强拉曼散射是一种基于纳米金属表面增强效应的非常敏感的拉曼光谱技术。
通过在金属表面制备纳米结构，可大幅度增强样品的拉曼信号。
在药物分析中，表面增强拉曼散射可以用于检测和定量分析药物样品中的成分，并揭示其结构及分子间的相互作用。
二、表面增强拉曼散射探针选择在评估表面增强拉曼散射探针性能时，首先需要选择合适的探针。
探针的选择应根据需要分析的药物性质、分析方法和目标检测极限进行考虑。
常用的表面增强拉曼散射探针包括金纳米颗粒、银纳米颗粒和铜纳米颗粒等。
不同探针具有不同的增强效果和适用范围，因此选择合适的探针对于保证分析结果的准确性和可靠性非常重要。
三、性能评估指标对表面增强拉曼散射探针的性能进行评估时，需要考察其增强效果、重现性、稳定性和选择性等指标。
1. 增强效果：衡量表面增强拉曼散射探针的增强效果可以通过增强因子来评估。
增强因子代表了样品在表面增强拉曼散射下的信号增强程度，值越大表示增强效果越明显。
通常，增强因子应在10^6至10^9的范围内。
2. 重现性：重现性是评估表面增强拉曼散射探针在不同试样和实验条件下的信号一致性。
通过重复测量同一样品多次来评估探针的重现性。
较好的探针应具有低的相对标准偏差，表示其测量结果的稳定性高。
3. 稳定性：在药物分析中，探针的稳定性非常重要，以确保分析结果的准确性和可靠性。
探针的稳定性可以通过长时间观察其增强效果的衰减情况来评估。
稳定性好的探针应具有较低的衰减速率，保持较长时间的增强效果。
4. 选择性：选择性是评估表面增强拉曼散射探针对药物样品的特异性和准确性。
光学材料中的表面增强拉曼散射效应研究
光学材料中的表面增强拉曼散射效应研究引言：光学材料是指能够发生光学现象的物质，而拉曼散射是一种特殊的光学现象，它通过分析被物质散射的光谱信息，能够提供物质的结构与成分等重要信息。
而近年来，光学材料中的表面增强拉曼散射效应引起了研究者的广泛兴趣。
本文将深入探讨表面增强拉曼散射效应的研究现状和进展，以及所涉及的相关原理与应用。
一、表面增强拉曼散射的原理表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering，SERS）是指在特定的表面结构上，物质的拉曼散射信号被增强的现象。
这种增强效应与金属纳米粒子表面的局部表面等离激元共振有关。
当光激发物质分子时，金属纳米粒子表面的局部电场增强了物质的极化率，从而使拉曼散射特征峰的信号显著增强。
二、表面增强拉曼散射效应的研究现状1. 表面增强拉曼散射的发现与发展表面增强拉曼散射效应最早于1974年由Martin Fleischmann和Richard W. A. Hutson观察到，并在1980年代初由Fleischmann等人首次系统研究。
此后，许多研究者致力于探索表面增强拉曼散射效应的机制、增强因素和表面结构。
2. 表面增强拉曼散射效应的机理表面增强拉曼散射效应的机理包括电荷迁移、电场增强和电磁增强等。
其中，电荷迁移主要指金属纳米粒子表面电子与被测物质分子之间的电荷转移过程，导致拉曼散射信号的增强。
电场增强则是指物质分子感知到金属纳米粒子表面产生的强电场，从而增强了物质的极化率和散射截面。
电磁增强则是指被测物质分子与金属纳米粒子的远场耦合，通过共振增强的方式显著提高了拉曼信号的强度。
3. 表面增强拉曼散射效应的应用表面增强拉曼散射效应在各个领域有着广泛的应用。
其中，生物医学领域是最具潜力的应用之一。
通过表面增强拉曼散射效应，可以实现对细胞、蛋白质和药物等的高灵敏检测，为疾病的早期诊断和治疗提供重要的参考。
此外，表面增强拉曼散射效应还可以应用于化学分析、环境监测、食品安全等领域。
表面增强拉曼散射化学机理
表面增强拉曼散射化学机理表面增强拉曼散射（SERS）是一种分析技术，它利用金属表面增强效应来提高拉曼散射信号的强度。
这种表面增强效应可以通过在金属表面上形成纳米结构，如纳米颗粒、纳米线和纳米棒，来实现。
当分子与这些纳米结构相互作用时，它们的电子结构会发生变化，导致它们的表面增强拉曼散射信号增强。
表面增强拉曼散射的化学机理可以分为两个方面：一是电磁增强效应，二是化学增强效应。
电磁增强效应主要是由于局部表面等离子体共振（LSPR）和表面等离子体波（SPR）的产生。
当激光光束与金属表面附近的纳米结构相互作用时，产生了LSPR和SPR的激子。
这些激子的产生可以导致局部电场的显著增强，从而增强了分子拉曼散射的信号。
化学增强效应则是由于分子与金属表面相互作用，导致分子的振动频率发生变化。
这种振动频率的变化可以导致分子的拉曼散射信号被增强。
这种化学增强效应主要由于化学吸附效应和电荷转移效应引起。
综上所述，表面增强拉曼散射信号的增强是由于电磁增强和化学增强效应共同作用的结果。
这种技术已广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。
1/ 1。
表面增强拉曼散射原理
表面增强拉曼散射原理表面增强拉曼散射（SERS）技术被广泛应用于分析领域，特别是在生物学、化学和材料科学等领域中。
它通过表面增强效应（SERS）强化拉曼散射信号，提高拉曼散射灵敏度，实现对微小分子的高灵敏度检测。
本文将重点介绍表面增强拉曼散射的基本原理，包括其物理机制、原理优势和应用领域。
一、物理机制表面增强拉曼散射是基于激发表面等离子体共振（SPR）效应的分析技术。
当外加电场作用于金属纳米颗粒表面时，可以激发局部表面等离子体共振（LSPR），这种现象称为表面等离子体共振（SPR）。
对于SPR现象，其电磁场在金属表面上集中，从而导致表面增强效应的产生。
当样品与这种表面增强效应相互作用时，可以产生强烈的拉曼散射信号，从而实现对样品的非常高灵敏度检测。
二、原理优势表面增强拉曼散射技术的灵敏度高，具有很多优点。
其正常非增强的拉曼散射信号很弱，但通过表面等离子体束缚稳定拉曼分子激发，可以强化信号几十倍甚至上百倍之多。
此外，由于增强技术导致样品与表面产生强烈的非共价相互作用，因此具有选择性很高的拉曼散射信号，使得该技术对混合物的分析具有很高的准确性。
三、应用领域表面增强拉曼散射技术在生物学、化学和材料科学等领域中有着广泛的应用。
在生物学领域中，SERS技术可以用于检测肿瘤细胞、蛋白质和DNA等生物大分子。
同时，在环境安全和食品质量领域中，SERS技术可以被用来检测化学物质、微生物和食品中的添加剂等。
此外，SERS技术还可以用于检测纳米材料和具有化学传感器特性的化合物等。
综上所述，表面增强拉曼散射技术是一种具有广泛应用前景的分析技术。
了解并掌握其基本原理对于推动科学研究、促进工业发展和提高公众生活质量都有着非常重要的意义。
sers表面增强拉曼光谱定义
近年来，随着科学技术的不断发展，sers表面增强拉曼光谱在材料科学、化学分析和生物医学领域等方面已经得到了广泛的应用。
SERS是表面增强拉曼散射的缩写，它利用纳米结构表面对激光的拉曼散射进行增强，从而可以检测到非常微弱的拉曼信号，使其具有极高的灵敏度和选择性。
一、SERS表面增强拉曼光谱的定义在SERS技术中，当分子吸附在具有纳米结构的金、银等金属表面上时，激光的局域电磁场能够增强分子的拉曼散射信号，从而实现对分子的高灵敏度检测。
SERS表面增强拉曼光谱，即通过SERS技术获取的拉曼光谱信息，可以提供样品的化学成分、结构等信息，具有非常重要的应用价值。
在实际应用中，SERS表面增强拉曼光谱在化学分析、材料表征、生物医学等领域都有着广泛的应用。
在化学分析中，SERS可以用于检测微量的有机分子、药物、毒品等化合物；在材料表征中，SERS可以用于研究纳米材料的结构、性质等；在生物医学中，SERS可以用于细胞成分的检测、肿瘤标记物的诊断等。
二、个人理解和观点对于SERS表面增强拉曼光谱，我个人认为它具有非常重要的科学意义和应用前景。
SERS技术的灵敏度和选择性都非常高，可以用于检测微量的分子，对于环境监测、食品安全等方面具有重要意义。
SERS技术还可以用于研究纳米材料的结构和性质，这对于材料科学领域的发展也具有非常重要的意义。
SERS在生物医学领域的应用也非常广泛，可以用于细胞成分的检测、肿瘤标记物的诊断等，可以为生物医学研究提供重要的信息。
SERS表面增强拉曼光谱作为一种新型的光谱技术，在多个领域都具有着重要的应用价值。
随着科学技术的不断进步，相信SERS技术将会在更多的领域展现出其重要作用，为人类的科学研究和生产生活带来更多的便利和突破。
SERS表面增强拉曼光谱在近年来得到了广泛的关注和应用，其在材料科学、化学分析和生物医学领域等方面的重要性逐渐凸显。
随着科学技术的不断发展，SERS技术被广泛应用于不同领域，取得了许多重要的进展。
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三、SERS仪器
39
三、SERS仪器
仪器的种类及结构组成[1-3]
纳米基底或探针的制备[4-6]
40
色散型激光拉曼光谱仪
41
傅立叶变换拉曼光谱仪
42
衬底或探针的制备
表面增强拉曼散射光谱是需要利用表面具有纳 米级粗糙度（贵）金属（或金属纳米粒子）作 为分析物衬底来产生 SERS 效应 衬底纳米材料的性质主要是由材料本身的尺寸、 形状、材料种类等因素决定 某些情况下，衬底纳米材料尺寸结构或形状发 生了微小的变化，可能导致 SERS 增强因子产 生几个数量级的变化
28
2.1.3 诱导偶极矩角度
29
2.2 表面增强原理
30
2.2.1 电磁增强
31
2.2.1 电磁增强
32
2.2.1 电磁增强
33
2.2.1 电磁增强
34
2.2.1 电磁增强
35
2.2.2 化学增强
化学增强被定义为样品分子吸附在衬底上时极化 率的变化。 增强的数量级：10-100 电荷转移模型（普遍接受）
力学等性能将异于普通材料。
7
小尺寸效应
例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；
绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。
利用这一特性，可以高效率地转变太阳能为热 能、电能。
8
宏观量子隧道效应
微观粒子具有的能够贯穿势垒的能力称为隧道
效应。
纳米粒子可以穿过宏观系统的势垒而产生变化， 这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。
表面效应 小尺寸效应
宏观量子隧道效应
量子限域效应
4
表面效应
指纳米颗粒表面原子数与总原子数之比随粒径 变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
5
表面效应
6
小尺寸效应
当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德
布罗意波长等物理特征尺寸相当或更小时，纳
米微粒的周期性边界将被破坏。
其结果是纳米材料的声、光、电、磁、热、
水就会变得完全不透明。
11
纳米材料分类及应用
纳米材料分为： 纳米粉末 纳米纤维
纳米膜
纳米块体
12
纳米材料分类及应用
纳米粉末：粒度一般在100nm以下。介于原子、 分子与宏观物体间的中间物态的固体颗粒材料。 纳米纤维：直径为纳米尺度的线状材料。
可用于：微导线、微光纤新型激光或发光二极 管材料等。
13
19
拉曼散射历史
然而由于当时还未出现关于激光的应用，因此 三十年代至六十年代，拉曼散射的研究处于一 个低潮时期，主要的原因来自激发光源太弱的 问题。 1960 年，红宝石激光器的出现，使得拉曼散 射的研究进入了一个全新时期。由于激光器的 单色性好，方向性强，功率密度高，用它作为
激发光源，大大提高了激发效率。
15
拉曼散射历史
海森堡在1925年预言，在可见光中可能也会有 类似的效应存在。 1923年，拉曼和他的助手发现一种“荧光”效 应。以太阳光为光源，观察它穿过蒸馏水的散 射线，并在入射光路中加一个紫色滤光镜，未 料观察到一种较通常的散射线波长有微弱变化 的二次射线，他们将此种微弱射线归结为某种 “荧光”现象。
16
拉曼散射历史但是来自他们不敢轻易下结论，因为这种现象太弱了。
之后，他们找到了将荧光分离出来的一种手段， 用屋顶上的定日镜把太阳光送进实验室，经汇 聚照到实验样品上，入射光路与出射光路分别 放置一对互补滤色镜。
17
拉曼散射历史
结果发现，穿过样品的散射光通过滤光镜后并 未完全消失，还能观测到暗淡的光线。 当时给出解释为：样品中含有某些杂质，激发 出荧光。 这种解释被大多数实验否定。 1. 在80多种不同的、经过精心提纯的液体样品 中无一例外的存在着； 2. 在甘油样品实验中，这种现象更为明显，并 且最后的出射线已被极化，成了偏振光。
表面增强拉曼散射 SERS
目录
一、纳米颗粒概述及SERS相关历史
二、SERS原理
三、SERS仪器 四、SERS应用 五、SERS前景
2
一、纳米颗粒概述及SERS相关历史
3
一、纳米颗粒概述及SERS相关历史
纳米材料:
广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度 范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元 所构成的材料的总称。 纳米材料特性：
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。
由此便开启了拉曼散射这一现象的全新应用：SERS
21
参考文献
1.https:///wiki/纳米颗粒 2.戈丹,千舒.震惊世界的100个科学发现(下).呼和浩特：内蒙古人 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.
53
模板法
硬模板法 制备Ag纳 米棒及其 应用示例
54
模板法
不同浓度的 R6G溶液在 这种SERS衬 底上的拉曼 光谱
55
模板法
优点： 使大规模生产得以实现 成本较低 硬膜法重现性较好 软膜法能制备不同形状的纳米结构 缺点： 硬膜法所得纳米结构比较单一 软膜法重现性相比硬膜法较差
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光纤探针
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纳米光刻法 电子束光 刻原理图
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纳米光刻法
电子束光刻技术：
把10-50keV的电子束聚焦在SiOx/Si固体基底上， 并在其表面涂上电子束抗蚀剂，电子束选择性 的腐蚀掉预定形状区域表面的抗蚀剂，形成预 定形貌的纳米粒子阵列
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纳米光刻法
EBL方法制备的阵列结构SERS衬底的SEM图
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纳米光刻法
14
拉曼散射历史
1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子 解释。 1922年9月，拉曼在《光的分子衍射》一书中 最后提到，如果散射过程能够被看作光量子和 散射分子之间的碰撞，他将有与经典的电磁理 论所预期的不同的结果。 1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率 发生改变的散射。
20
SERS的发现
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.
59
光纤探针
锥柱型光纤探针表面上银纳米颗粒的扫描 电子显微镜(SEM)图像
60
光纤探针
锥柱形探针灵敏度检测
61
光纤探针
优点：
方法简单、可靠且低成本
重现性较好，可以满足一般样品检查 远程传感功能 缺点： 不能精确控制纳米粒子镀层的参数
利用光纤材料，经过适当地物理或者化学处理 使光纤针头表面粗糙化，再利用自组装、激光 诱导、真空蒸镀等方法在其表面镀上一层金属 纳米粒子 锥形、直形、D形、楔形
57
光纤探针
锥柱组合型光纤探针是先经氢氟酸腐蚀出锥柱 结构, 再通过自组装法把银纳米颗粒修饰到光 纤表面
58
光纤探针
光纤表面SERS活性基底的制作: 羟基化过程 氨基化过程 银纳米颗粒自组装
26
2.1.2 能级跃迁角度
虚能级 虚能级 h(v0-v) hv0 hv0 hv0 hv0 h(v0+v) 激发态 基态
斯托克斯线 v0-v 瑞利散射 反斯托克斯线 v0+v
散射线的强度
v0
如何解释？
27
2.1.2 能级跃迁角度
根据波尔兹曼分布，处于基态的粒子数远大于 处于振动激发态的粒子数
Anti-Stokes谱线与Stokes谱线的强度比满足公 式：
电子束光刻法 优点： 与一般的光学光刻法相比，成本较低 精确控制纳米粒子的形状、大小以及粒子间隔， 重现性好 缺点： 耗时，产量低 邻近效应限制分辨率
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模板法
把可控几何形状的金属纳米粒子沉积在模板上
模板的直接合成是一个宽泛的研究领域，常用 的模板主要分为硬模板和软模板
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模板法
硬模板：
阳极氧化铝模板（AAO）是一种蜂窝状密集排列 的数以万计的纳米级孔结构，常被用来制备高 性能的SERS衬底
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衬底或探针的制备
金属纳米粒子溶胶溶液
纳米光刻法
模板法 光纤探针
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金属纳米粒子溶胶溶液
制备方法
柠檬酸三钠还原法：取一定量的硝酸银溶液转 移至250ml圆底烧瓶中，油浴加热，不断搅拌。 待溶液沸腾后将一定量的柠檬酸三钠溶液逐滴 加入硝酸银溶液中，滴加完成后，继续加热搅 拌60min后，停止加热，自然冷却，得到灰色的 银溶胶，倒入棕色的广口瓶中避光保存。
18
拉曼散射历史
拉曼和助手把此现象与克拉姆斯——海森堡的 色散理论相联系，称之为“分子散射”。经过5 年的研究，1928年2月16日，向science投稿。 之后，改进试验装置，用大孔径聚光器、汞弧 灯及滤光片获得了较强的单色光。1928年2月28 日下午，观察液体散射光谱时，观察到汞弧灯 中没有的若干谱线，在拍摄的光谱照片上还证 实了散射光不仅有红移，还有蓝移。
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金属纳米粒子溶胶溶液
优点： 制备简便易行 增强效应比较好 缺点： 适用范围小 金属溶胶是一种亚稳态体系,加入分析物后粒子 容易聚集,但溶胶的聚集程度难以控制,导致拉 曼信号的重现性差