表面增强拉曼光谱技术及其在生物分析中的应用

食品课程论文

题目表面增强拉曼光谱技术及其生物分析应用研究进展

姓名陈坤学号2009309010006 专业食品科学

二○○九年十二月

表面增强拉曼光谱技术及其生物分析应用研究进展Bioanalysis Application of Surface-enhanced Raman Spectroscopic

（陈坤2009309010006 食科院食品科学）

摘要：拉曼光谱诞生距今已整整80年，激光器、CCD检测器、光纤探针技术的发展使拉曼光谱分析仪器及其应用进展日新月异。然而传统拉曼光谱信号微弱，因此表面增强拉曼散射光谱（SERS）凭借其超灵敏且具有化学选择性而被广泛应用于生物分子鉴定。它是一种信号强度高，荧光和水的背景干扰小的表面分析技术。本文就SERS在生物应用方面的研究作简单回顾。

关键词：表面增强拉曼光谱（SERS）；生物分析；应用

拉曼光谱是用途广泛的无损检测和分子识别技术，它能够提供化学和生物分子结构的指纹信息。但是常规拉曼散射截面分别只有红外和荧光过程的10-6和

10-14。[1]这种内在低灵敏度的缺陷曾制约了拉曼光谱应用于痕量检测和表面科学领域。尽管拉曼光谱技术是一种重要的生物化学分析工具，但由于其信号强度低，而生物分子通常在自然环境下含量较低，这样得到的拉曼信号很小或者检测不到，作为信息读出手段往往缺乏高灵敏性。直到20世纪70年代中期，Fleischmann、Van Duyne和Creighton分别领导的3个研究组[2-4]分别观测和确认了表面增强拉曼现象，即在粗糙银电极表面的吡啶分子的拉曼信号比其在溶液中增强了约106倍。人们将这种由于分子等物种吸附或非常靠近具有某种纳米结构的表面，其拉曼信号强度比其体相分子显著增强的现象称作表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering，SERS)效应。SERS效应的发现有效地解决了拉曼光谱在表面科学和痕量分析中存在的低灵敏度问题。

1. 表面增强拉曼散射机理

与SERS实验和应用所取得的进展相比，SERS理论的研究一直相对滞后，这主要是因为具有SERS效应的体系非常复杂。体系表面形貌和表面电子结构，光和粗糙表面的相互作用，光和分子的相互作用，分子在表面的取向、成键作用以及分子和表面的周边环境，入射光的强度、频率、偏振度和偏振方向等因素对SERS谱图的影响均比较复杂。SERS体系的这些复杂性导致了人们对SERS效应认知的多样性. 人们从各个角度和具体实验条件提出了不同的SERS机理[5]。

目前学术界普遍认同的SERS机理主要有物理增强机理和化学增强机理两类。SERS谱峰强度ISERS常具有以下正比关系[6, 7]：

式中，E（ω0）和E（ωS）分别为频率为ω0的表面局域光电场强度和频率为ωS的表面局域散射光电场强度；ρ和σ分别为分子所处位置的激发光的电场方向和拉曼散射光的电场方向；（αρσ）fi是某始态∣i〉经中间态∣r〉到终态∣f〉的极化率张量。

式（1）I SERS前半部分表明，入射与散射光的局域电场强度越大，拉曼信号强度越大，这来自于物理增强机理的贡献，通常归因于电磁场增强（Electromagnetic enhancement, EM）机理[8]。式，（1）后半部分表明，体系极化

率（αρσ）fi越大, 则相应拉曼信号的强度也越大，这是SERS化学增强（Chemical Enhancement, CE）机理的贡献[5, 9]。它是由于分子和表面之间的化学作用，从而增大了体系的极化率。

1.1 化学增强机理

化学相互作用对反映在光电场下电子密度形变难易程度的拉曼过程是非常重要的。当分子化学吸附于基底表面时，表面、表面吸附原子（Adatom）和其它共吸附物种等都可能与分子有一定的化学作用，这些因素对分子的电子密度分布有直接的影响。

化学增强主要包括以下3类机理：（1）由于吸附物和金属基底的化学成键导致非共振增强（Chemical-Bonding Enhancement, CB）；（2）由于吸附分子和表面吸附原子形成表面络合物（新分子体系）而导致的共振增强（Surface Complexes Enhancement, SC）；（3）激发光对分子-金属（Molecule-Metal, m-M）体系的光诱导电荷转移的类共振增强（Photon-induced Charge-Transfer Enhancement, PICT）。这3种增强机理都表示体系极化率的变化对拉曼强度的影响，它们的区别在于CB 增强是由于分子与表面化学吸附形成化学键，引起分子和金属间的部分电荷转移；该体系极化率的分子和分母项都没有显著变化，但是分子的HOMO和LUMO 轨道展宽。SC增强是由于在表面上由部分带正电的金属原子组成的原子簇和带部分负电荷的分子以及电解质阴离子形成表面络合物，这种络合物作为新的分子体系，具有不同的HOMO和LUMO，在可见光激发下可以达到共振；该体系极化率的分子和分母项都有较大改变，特别是分母项由于满足共振条件，其实部趋于零。PICT增强并不强调表面与分子有很强的化学作用，主要取决于金属电极的费米能级和分子HOMO或LUMO的能量差；若该值与激发光能量相匹配，就会发生分子到金属或者金属到分子的电荷转移；该体系极化率的改变主要体现在中间态∣r〉上，即体系的电荷转移态。

1.2 SERS的电磁场增强机理

在SERS效应的电磁场增强机理解释中，表面等离子体共振（Surface plasmaon resonance, SPR）引起的局域电磁场增强被认为是最主要的贡献[9-12]。表面等离子体是金属中的自由电子在光电场下发生集体性的振荡效应[13, 14]，特定粒径的纳米粒子金属因为各自独特的等离子体共振吸收而显现出丰富多彩的颜色效应。这种等离子体的共振吸收早在19 世纪人们就开始了对其内在机理进行研究。Lorenz，Mie和Debye各自独立发展了相应方法计算介质球对电磁波的散射作用，这样的理论[15-17]被称之为Lorenz-Mie-Debye理论，Lorenz-Mie理论或Mie理论。Mie首次解释了各种粒径的球形金纳米粒子的颜色起源。Gans修正的Mie理论可以处理椭球或者类椭球粒子的光学性质，较好地解释了金纳米棒的横模和纵模等离子体吸收峰，以及纵模吸收峰随粒子长径比变化的现象。由于早期Mie理论只是考虑孤立粒子的光学性质，并没有考虑临近粒子的耦合作用，而纳米粒子之间的耦合作用对其自身的光学性质和SERS的增强作用都有很大的影响。当粒子之间的距离小于粒子本身的尺度，甚至在发生团聚时，等离子体共振峰（SPR）发生红移，同时在更长波长的位置出现吸收峰，这些谱峰被认为是类似于纳米棒中的纵模共振峰。为了克服Mie理论的缺陷。人们发展了有效介质理论，特别是Maxwell-Garnett理论，很好地解释了多粒子耦合的光学现象。除此之外还发展了存在解析解的广义Mie理论，数值求解的时域有限差分方法（Finite Difference Time-Domain，FDTD）。例如，通过拟合金属的介电常数，利用三维时域有限差