表面等离激元增强拉曼光谱:现状和机遇

【作者】 任斌；

【机构】 厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室；

【摘要】 金、银等纳米结构因其独特的电子性质,使其在可见光区表现出独特的局域表面等离激元共振(LSPR)特性,从而在表面等离激元增强光谱(PERS)、表面等离激元传感、表面等离激元诱导化学等领域得到了空前的关注,并在表界面分析、生物分析、医学、环境、公安、毒品检测等领域等到了重要的应用。特别受益于纳米科学和纳米制备技术的发展,PERS得到了飞速的发展。其中表面增强拉曼光谱(SERS)是利用金、银等纳米结构来显著增强在纳米结构附近或者表面上的待测物的拉曼信号,获得样品自身的指纹振动信息。SERS的增强效应常在6个数量级以上,甚至可以高达单分子的检测灵敏度,是一极具前景的生物分析检测技术。本报告将首先介绍SERS增强的物理本源,阐述如何在对SERS物理机制的理解下理性指导设计和制备高SERS增强且均一的纳米结构,并合理的评估SERS基底的增强效应,选择合适的检测波长和检测条件。进一步介绍SERS技术中LSPR对SERS谱峰相对强度的影响,并提出一种SERS背景校正获得本征的化学指纹信息,判断分子和表面的相互作用。接着从SERS生物检测方法学的角度,阐述SERS的直接检测与间接检测方法。充分考虑SERS生物检测中涉及到的光-纳米材料表面-生物体系三者间异常复杂的相互作用,提高SERS检测结果的可靠性。比如,在直接检测中,由于任何靠近粒子表面的分子都可能给出信号,需要发展可靠的方法消除表面杂质让目标分子弱吸附物种能够作用到表面并给出信号。而在间接检测中,需要考虑采取适当的保护措施,保证拉曼探针分子在复杂生物体系中的稳定性,提高传感的可靠性。然后介绍我们在利用PERS技术,以更高的灵敏度、更快的时间分辨率和更高的空间分辨率研究电化学的表面和界面过程。发展了基于水浸镜头光学方法提高检测灵敏度,并将该方法应用于宽场拉曼光谱、电化学暗场光谱和电化学针尖增强拉曼光谱技术中。如用金银等纳米结构作为信号增强源,通过全局照明,结合液晶调控的窄带滤光片和成像EMCCD,发展出宽场成像拉曼光谱仪器,实现整个表面同一时间的信号收集和分析,并用于电化学氧化还原动态过程的实时检测,在此基础上,发展了一种基于电化学表面增强拉曼光谱技术的电化学显微镜,可以在电化学反应过程中,利用拉曼信号强度变化,重构电极表面分子局域的电化学电流,获得局域的电化学信息。发展了高灵敏的电化学原位暗场光谱技术,显著提升电化学体系暗场光谱的检测灵敏度,研究单颗纳米粒子表面的电化学沉积过程。发展了高灵敏的电化学针尖增强拉曼光谱(EC-TERS),提供SERS无法提供的纳米级的高空间分辨率,并将其用于电化学过程的纳米尺度高空间分辨的表征,研究了表面等离激元和电位的协同效应,原位研究了具有析氢活性的边缘位在电化学析氢过程中的演变等。最后将通过对现状的分析,提出PERS技术未来的机遇和挑战和近期的发展目标。更多还原