表面增強拉曼光譜基底的種類及其應用進展

關鍵詞表面增強拉曼光譜；等離激元共振效應；金屬微納結構；半導體微納結構；痕量檢測；評述

表面增強拉曼光譜技術（Surface-enhanced Raman scattering， SERS）是近年來快速發展的一種分子光譜檢測技術，具有靈敏度高、準確度高、可指紋識別和無損檢測等優點。1974 年， Fleischmann 等[1]首次發現吡啶分子在粗糙銀（Ag）電極表面的拉曼信號會極大增強。1977 年， Jeanmaire 等[2]通過周密的理論計算，發現吡啶分子在Ag 電極表面的信號增強不是簡單分子負載量的增加，而是一種全新的光譜現象，即SERS 光譜。1997 年， Nie[3]和Kneipp[4]等將染料分子摻雜在Ag 溶膠中，發現染料分子的拉曼信號強度比沒有金屬基底時獲取的拉曼信號增強近14 個數量級，由此建立了SERS 單分子檢測技術。通過Web of Science 檢索主題詞“Surface-enhanced Raman scattering”發現， SERS 技術幾乎涵蓋了所有學科，主要集中于材料科學、化學物理、納米科學和納米技術、多學科交叉化學、應用物理學、分析化學、光譜學和生物醫用等學科，如圖1 所示。研究表明，金屬基底是SERS 技術的關鍵，金（Au）[5-8]、Ag[9-12]和銅（Cu）[13-14]等金屬是良好的SERS 基底，通過控制金屬基底的納米結構和尺度，可以制備出具有選擇性和功能性各異的SERS 基底，從而實現不同目標分子的檢測和應用[15]。

近年來，基于SERS 的研究和應用取得了巨大進展。2019 年， Langer 等[16]對SERS 的研究現狀，包括新概念、增強機理、表面分子物種的建模、特殊結構SERS 基底及其應用等，進行了全面綜述[16]；Fan 等[17]從膠體SERS 基底及組裝、固體支撐基體上構造基底結構出發，對SERS 技術在分析和生物化學定量分析領域的研究和應用做了詳細綜述。本文首先介紹了SERS 的電磁場增強（Electromagneticenhancement， EM）與化學增強（Chemical enhancement， CM）機理，簡要分析了影響SERS 增強的因素，如SERS 基底的微納結構、尺寸和間距等；通過梳理前人的研究成果，結合本研究組近幾年關于SERS 的研究工作，重點對多種類型SERS 基底的制備和應用進行了總結和評述，以期為SERS 基底的未來發展提供參考。

1 SERS 光譜增強機理

1.1 電磁場增強

EM 是指吸附在納米結構金屬表面的介質與金屬表面局域等離激元被激發所引起的電磁場耦合而產生的信號增強。當一定頻率的光波入射到金屬與介質的交界面時，金屬表面的自由電子發生集體振蕩，電磁波與金屬表面自由電子耦合，形成一種沿著金屬表面傳播的近場電磁波。如果電子的振蕩頻率與入射光波的頻率一致就會產生共振，在共振狀態下，電磁場的能量被有效地轉變為金屬表面自由電子的集體振動能，形成一種特殊的電磁模式，即局域表面等離激元。當納米顆粒的尺寸遠小于入射光波長，并且入射光的頻率與自由電子的振蕩頻率一致時，會產生共振，導致表面電子的集體振蕩大幅增強，這種在金屬納米球/顆粒表面附近的集體運動被稱為局域表面等離激元共振（Localized surface plasmonresonance， LSPR）[18]。SERS 電磁場增強是一個復雜的物理過程，可簡化為兩步過程（圖2）：第一步，在入射頻率為ω0 時，等離子體納米顆粒（NPs）周圍發生局部電磁場增強，等離子體NPs 作為接收光學天線，將遠場轉換為近場；第二步，這種增強來自于分子-NP 體系的拉曼極化導數，比自由分子的拉曼極化導數大1～3 個數量級，這是由于分子的誘導偶極（短垂直箭頭）和NP 的偶極（甚至多極）（長垂直箭頭）之間的強相互激發所致，此時等離子NPs 作為發射光學天線，以拉曼散射頻率（ωR）將近場傳輸到遠場。該步驟中的增強因子與ωR 處的局部電場強度（Eloc）的平方成正比。對于吸附分子的低頻振動模式，入射頻率和拉曼散射頻率，以及第一步和第二步的增強因子（分別為G1（ω0）和G2（ωR））通常是可比較的。因此，SERS 增強因子約與局部電場增強的四次方成正比，其中， Eloc 和E0 分別是存在和不存在納米顆粒時的局部電場強度[19]，如公式（1）所示。

為了更好地理解EM，必須考慮金屬納米結構的大小、形狀和材料，這些特性決定了金屬納米結構中傳導電子的共振頻率。當相同頻率的電磁輻射入射到納米結構上時，輻射的電場驅動傳導電子集體振蕩。LSPR 的激發將產生兩種結果：一是共振電磁輻射的選擇性吸收和散射；二是粗糙表面產生大電磁場，而EM 依賴于限制在這些電磁場中的拉曼活性分子。以孤立球體為例，可以建立理論模型，了解貴金屬納米顆粒的EM 作用[20]：

其中， E 是金屬球體表面的電場強度， E0 是入射場， εm 是金屬球體的波長相關介電常數， ε0 是金屬球體周圍局部環境的介電常數。當εm = 2ε0，球體表面的電場強度變得非常大，對于銀和金，在可見光和近紅外波段的特定波長上可以實現這一點。

1.2 化學增強

CM 是通過金屬基底與吸附在其表面的待測分子發生電荷轉移而實現拉曼信號增強。一般認為CM增強有3 種模式。（1）化學成鍵導致非共振增強（Chemical bonding enhancement， CB），即吸附分子和金屬納米結構表面形成化學鍵，引起兩者在吸附界面發生部分電荷轉移，導致吸附分子的最高占據分子軌道（Highest occupied molecular orbital， HOMO）和最低占據分子軌道（Lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）展寬[21]。（2）表面絡合物共振增強（Surface complexes enhancement， SC），即吸附分子（部分帶負電荷）和金屬納米結構表面原子簇（部分帶正電荷）形成新的分子體系（或絡合物），具有不同的HOMO 和LUMO，在可見光激發下可以達到共振增強[22]。（3）光誘導電荷轉移的共振增強（Photon-induced chargetransfer enhancement， PICT）。常見的吸附分子的HOMO 和LUMO 對稱分布在金屬費米能級的兩側，當吸附分子受到光照且激發光能量與其相應的能級差相匹配時，電子從HOMO 躍遷至金屬納米結構的費米能級Ef，然后通過電荷轉移躍遷至分子的LUMO 能級，導致吸附分子極化率發生變化，進而引起共振增強[23-25]，如圖3 所示。CM 增強主要取決于吸附分子的固有屬性，具有化學選擇性。實際上SERS 的增強機理非常復雜，單純的EM 和CM 并不能揭示所有的實驗現象，一般認為某分子的SERS 增強是這兩種增強機制共同作用的結果。

1.3 影響SERS 增強的因素

1.3.1 金屬基底的微納結構

不同微納結構的同一種金屬， SERS 活性表現出較大的差異。Zhang 等[26]采用溶液合成法制備了納米線、三角板和納米粒Ag 微納結構，以羅丹明6G（Rhodamine 6G， R6G）為探針分子， SERS 增強效果順序為納米粒子gt;納米線gt;三角板。深入研究發現， SERS 增強效應與Ag 微納結構暴露的晶面有關：Ag 納米粒子暴露所有活性晶面{111}、{100}、{110}和{311}， Ag 納米線暴露的活性晶面是{111}和{100}，{110}和{311}晶面沒有充分暴露（XRD 衍射峰的強度低）， Ag 三角板暴露{111}活性晶面，而晶面的表面自由能順序為γ{110} gt; γ{100} gt; γ{111}，即Ag 微納結構的SERS 效應與晶體暴露的晶面數和晶面表面自由能的大小緊密相關，這為SERS 基底微納結構的設計制備提供了理論指導。

1.3.2 金屬納米粒子的尺寸

粒子尺寸是影響SERS 增強的關鍵因素之一，宏觀或部分微觀粒子因為表面粗糙度小不能產生SERS 效應，而亞納米粒子尺寸太小，入射光可以繞過粒子而不能產生散射效應，只有金屬粒子的尺寸處于納米級到亞微米級之間才具有較好的SERS 效應。如圖4A 所示， Zhang 等[27]利用種子介導生長法合成了邊長精準控制在30～200 nm 范圍內的Ag 納米立方體，以1，4-BDT 為探針分子，當納米立方體的一面平行于偏振激發光時，探針分子SERS 特征散射峰的強度隨著立方體邊長的增加而增加，順序為57 nm lt;82 nm lt; 125 nm lt; 170 nm， 170 nm 立方體的SERS 強度大約是57 nm 立方體的12 倍。Benz 等[28]將Au 納米粒子（AuNPs）通過1 nm 的間隙耦合到金鏡上，可將光限制在極小的體積內，通過單獨測量10000 個尺寸不斷增加的AuNPs，發現光學散射（遠場）和SERS 發射（近場）有較大的差異：AuNPs 尺寸的增加使得耦合等離子體模式發生線性紅移，即AuNPs 尺寸的變化導致近場SERS 的比例發生變化。

1.3.3 金屬粒子之間的間距

鄰近的金屬納米粒子之間因電磁場的耦合作用，在金屬粒子的間隙會形成新的局域電磁場，而耦合電磁場的強度和SERS 增強因子取決于間隙距離，這對于SERS 增強具有重要意義。Arbuz 等[29]研究了在Au、Al、Ag 膜和Si 晶片4 種支撐基體上AuNPs 間隙距離對SERS 增強的影響，發現所有支撐基體上的二聚體都表現出散射強度和增強因子（Enhancement factor， EF）的比值與粒子之間的距離呈反指數增加的趨勢，即使顆粒間距離的微小變化也會導致二聚體與單個AuNPs 的信號強度發生變化，如顆粒間隙減少約16%會使二聚體的EF 和單顆粒的EF 的比值提高50%。事實上，具有SERS 效應的等離子體材料周圍的電磁場并非均勻分布，而是高度局部化在狹窄的空間區域（SERS“熱點”），如納米尖端、粒子之間的納米間隙或粒子與襯底之間的納米間隙，因此金屬粒子之間的間距對SERS 效應的影響也可以理解為SERS“熱點”的影響。關于“熱點”的研究主要有三代：第一代，單個金屬納米粒子自身就是“熱點”，如不規則的小尺寸納米粒子以及規整結構的納米球、納米立方和納米棒等（圖4B）[19]，這些孤立的納米結構依靠自身的電磁場對SERS 活性提高非常有限，需要對納米粒子改性才具備較好的SERS 效應，如將納米球改性成納米星、增加粗糙度、合成具有間隙或層級結構的納米結構等；第二代，具有一定間隙距離的金屬納米二聚體、三聚體和陣列微納結構，由于鄰近納米粒子電磁場的耦合作用，在粒子間隙之間產生SERS“熱點”（圖4C）[19]，這些“熱點”在檢測探針分子時所表現的SERS 效應是獨立金屬納米粒子的100～10000 倍[30-31]；第三代，由金屬微納結構基底和探針材料共同激發表面等離激元而形成活性“熱點”。最簡單的例子是在平坦的Si 或Pt 表面上負載單個AuNPs，即納米粒子散射的電磁場和材料表面反射的電磁場雜化產生“熱點”。由于AuNPs 和Pt 表面之間具有較好的等離子體耦合效應，而Si 不具備，因此Pt 表面上單個Au 納米球的平均SERS 增強因子比Si 表面上的Au 納米球大1 個數量級（圖4D）[19]，這就是近年迅速發展起來的針尖增強拉曼光譜（Tip-enhanced Raman spectroscopy， TERS）的基本原理[19，32]，即在SERS 基底上引入一個金屬尖端，激發鄰近金屬納米粒子或表面LSPR，引起局部電磁場增強，形成新的SERS“熱點”。

2 SERS 基底的種類及其發展

2.1 Ag 微納結構SERS 基底

1979 年， Creighton 等[33]將吡啶吸附在Ag 和Au 膠體上時，發現吡啶的拉曼光譜信號得到了極大提高，首次發現貴金屬基底具有良好的SERS 響應。Ag 微納結構是良好的SERS 基底，優點是原料來源相對便宜、合成工藝簡單、形貌結構可控，被廣泛用于SERS 研究。2004 年， Wang 等[34]探索出大量合成Ag 納米線的方法，為Ag 納米線SERS 基底的應用提供了理論基礎。2007 年， Xia 等[35-36]開發了一系列不同形貌Ag 納米結構的合成方法，如準球形、球形、多面體、棱形及由這些形狀衍生出的多種Ag 微納結構，為大規模制備形貌各異、均勻有序的Ag 基底提供了合成思路，推進了Ag 納米結構在SERS 中的廣泛應用，如圖5A～5I 所示。本研究組近幾年對金屬Ag 微納結構的合成進行了初步探討，如以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為結構導向劑，采用一鍋煮的方法制備出單分散性三角板狀Ag 微納結構，該結構具有較好的環境穩定性，對R6G 的檢出限為1×10–12 mol/L（圖5J）[37]。利用兩電極電化學沉積法制備出一種高度對稱的樹枝狀Ag 微納結構基底，對R6G 的檢出限為1×10–10 mol/L，對3-巰基丙酸的檢出限為1×10–5 mol/L（圖5 K）[38]。以聚甲基丙烯酸甲酯球為結構導向劑，利用兩電極電化學沉積法制備出金字塔狀Ag 微納結構，該基底的增強因子達到9.1×105，經過蒸餾水清洗后可重復使用（圖5L）[39]。利用多元醇還原法制備Ag 納米線，采用水熱法使葡萄糖碳化包裹Ag 納米線，以檸檬酸作為還原劑，將AgNO3 還原成納米片，生長在碳層上，制備出具有層級結構的Ag 微納結構，該基底對痕量葡萄糖具有較好的響應（圖5M）[40]。以PVP 為結構導向劑，多元醇為還原劑，制備出Ag 納米線，然后利用硼氫化鈉去除Ag 納米線表面的PVP， SERS 增強因子提高了1 個數量級[41]。利用不同粒徑的聚苯乙烯微球作為合成基體，以檸檬酸/抗壞血酸為還原劑，制備了不同間距Ag 納米片聚集而成的球形微納結構SERS 基底，具有良好的靈敏性和信號重現性[42]。

評價SERS 基底性能的參數主要包含2 個，一是靈敏度，通常用小分子最低濃度檢出限表示；二是信號可重現性，可用SERS 信號的相對標準偏差（Relative standard deviation， RSD）表示。上述Ag 微納結構呈現無序形態，盡管對待測分子具有良好的SERS 靈敏度，但是拉曼信號的均一性（信號可重現性）通常難以保證。解決此問題的方法是將金屬微納結構構建成有序規整結構。常用方法包括模板法[43-44]、光刻法[45-46]、自組裝法[47]及蒸發沉積法[48-49]等。本研究組近幾年對有序金屬微納結構的制備合成方法進行了研究，如通過蒸發誘導聚集將長Ag 納米線組裝成高度對齊的有序結構，以實現SERS 檢測的均勻“熱點”，實驗發現在普通載玻片上規整排列的Ag 納米線具有高靈敏度和良好的光譜重現性，對R6G 的檢出限為10–10 mol/L， RSD 約為3.6%，三聚氰胺的低濃度檢出限為10–5 mg/mL（圖6A）[50]。采用水熱法在導電玻璃FTO 導電面上沉積TiO2 四棱柱陣列，以此為基體，分別采用聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）還原Tollens 試劑以及檸檬酸三鈉（TSC）還原AgNO3 溶液，將Ag 納米粒子（AgNPs）沉積在TiO2 四棱柱陣列上，形成TiO2@AgNPs-PVP 和TiO2@AgNPs-TSC 陣列微納結構，對R6G 的檢出限為10–12 mol/L， 對低活性小分子三聚氰胺的檢出限為0.01 mg/mL（圖6B）[51]。以無紡布（NWF）為支撐基體，采用兩步化學合成法在NWF 上原位構建了由間隙為20～110 nm 的Ag 納米片組裝成的AgNS@NWF 微納結構，當R6G 溶液的濃度為1×10?5 mol/L 時， 610 cm?1 處譜帶拉曼散射強度的RSD 為3.57%， 3-巰基丙酸和三聚氰胺的檢出限分別為10?5 mol/L 和10?6 mol/L（圖6C）[52]。Zeng 等[53]通過溶劑熱法制備了平均粒徑約為60 nm 且具有角的立方體和四面體形狀的AgNPs，然后通過無表面滴鑄法將AgNPs 錨定在具有層壓納米臺階的ZnO納米塔陣列上，獲得了AgNPs/ZnO 納米塔陣列SERS 基底，增強因子可達6.9×1013，對R6G 的檢出限為1×10–18 mol/L，得益于AgNPs 的納米間隙和角部兩種“熱點”的結合， R6G 分子能保留在ZnO 納米塔的納米臺階上。Li 等[54]通過化學水熱法在垂直有序排列的Si 納米棒（SiNRs）上生長致密的ZnO 納米線（ZnO NWs），制備了一種具有均勻分層納米花結構的新型三維結構，經過AgNPs 修飾后，這種分支納米結構的SERS 信號顯著改善，對R6G 的檢出限低至1 pmol/L， RSD 降低至約6%，該基底可用于人胰島淀粉樣蛋白多肽（hIAPP） 聚集狀態的研究。

由上述研究可知，有序Ag 微納結構SERS 基底表現出良好的SERS 信號重新性及檢測靈敏性，原因在于：（1）有序結構能有效減少金屬納米粒子之間的聚集，使金屬的SERS 活性最大化，從而提高SERS檢測的靈敏度；（2）有序金屬納米結構在入射激光照射下引起LSPR 效應，誘使金屬納米結構間隙產生大量的均勻分布的“熱點”，基底為探針分子提供更大的有效吸附面積，因此在尋找提供均勻有序SERS增強的襯底時，具有規則“熱點”圖案的各向異性金屬等離子體納米結構的有序自組裝為優化和增強SERS 效應提供了新的技術手段。

2.2 Au 微納結構SERS 基底

金屬Au 微納結構也可作為SERS 檢測基底。Wu 等[55]通過種子介導法成功制備了不同粒徑的Au納米立方體、八面體和菱形十二面體，在檢測苯硫酚濃度時表現出良好的SERS 增強效應，而菱形邊長為32 nm 的十二面體的增強效應優于其它結構，檢出限可達10–8 mol/L（圖7A～7C）。Wang 等[56]以牛血清白蛋白為介體還原HAuCl4，制備出單分散性良好且具有層級結構的球狀和海膽狀Au 微納結構（圖7D），在相同濃度的靶向分子作用下， 3D 海膽狀結構的SERS 效應優于3D 微球結構，同時，牛血清白蛋白可以保持微球的穩定性。Au 的活性不及Ag，但是Au 具有優異的化學穩定性，因此制備的Au 微納結構并非都具有SERS 活性， Au 微納結構的形貌、尺寸和粒徑與基底的SERS 活性直接關聯。上述研究為大規模制備具有良好SERS 活性的Au 基底（如三維層級微納結構基底和有序微納結構基底）提供了實驗基礎。更重要的是Au 具有良好的化學穩定性，與探針或被檢測分子接觸時，在不發生強烈相互作用或化學反應的情況下，仍能靈敏地檢測到分子信號，使得其在環境監測、生物傳感器和細胞成像等領域具有應用潛力。Huang 等[57]在十四烷基哌啶表面活性劑水溶液中以抗壞血酸還原HAuCl4，制備出雪花狀Au 微納結構（圖7E），對R6G 的檢出限為3×10–9 mol/L，有機磷農藥檢出限為1×10–8 mol/L，對蘋果皮中對硫磷、三唑磷和亞硫磷的檢出限分別為0.026、0.03 和0.032 ng/cm2，表明該基底對有機磷農藥小分子的痕量檢測具有良好的選擇性。Feng 等[58]在聚（1-乙烯基-3-乙基溴化咪唑）中，通過一鍋法合成了高質量的超支化樹枝狀Au 晶體（圖7F），該晶體可用于檢測4-巰基苯甲酸（4-MBA），線性范圍為0.5～10 μmol/L，檢出限為0.02 μmol/L。Zhu 等[44]報道了一種ZnO-nanotaper 陣列犧牲模板化合成方法，用于制備具有Au 納米棒組裝的納米管陣列。該結構具有納米尖端、角或邊緣的相鄰結構的亞10 nm 間隙3D“熱點”，對R6G的檢出限為10–14 mol/L，持久性有機污染物多氯聯苯（PCB）的檢出限為10–7mol/L，即使兩種同源物多氯聯苯也可在混合物中被識別。Bi 等[59]通過高效的蒸發自組裝方法制備出Au 納米棒陣列結構（圖7G），SERS 增強因子為5.6×107，具有良好的可回收性和信號重現性， RSDlt;8%，并在此基礎上開發了一種高靈敏度的牛血清白蛋白涂層4-巰基吡啶（4-MPy） 的pH 傳感器，用于測量小鼠血液中的pH 值。Xie 等[60]開發了一種基于對巰基苯甲酸（MBA）修飾的Au 納米花SERS PH 探針（圖7H），由于MBA 分子中含有羧基基團， Au 納米花探針產生的拉曼信號依賴于pH 值，可通過pH-拉曼圖區分正常細胞和腫瘤細胞，為細胞水平腫瘤的早期診斷提供了一種新的影像學方法。

2.3 Au/Ag 微納結構SERS 基底

利用雙金屬表面等離激元耦合效應提高SERS 的靈敏度和信號可重復性的研究發展迅速，如利用Au 和Ag 元素的協同作用使金屬基底的等離子共振作用產生強電磁場，提高SERS 檢測的靈敏度和信號可重復性。Zhang 等[61]通過操控Ag+、表面封端表面活性劑和還原劑的相互交織作用研究Au 納米晶體的結構演變，利用路徑開關控制納米棒在過度生長過程中的幾何和成分演變，允許圓柱形Au 納米棒選擇性地轉變為一系列幾何形狀、成分和等離子體特性的各向異性的Au@Ag 納米結構，該粗糙且尖銳的納米結構具有較大表面等離激元耦合效應，基底表現出優異的穩定性和SERS 效應（圖8A）。由此可知，Au/Ag 復合SERS 基底最大的特點是結構穩定性好，這對于SERS 基底的長期保存和使用具有重要意義。當金屬納米粒子的尺寸減小至納米量級時，由于其表面能較大，隨著時間推移，金屬微納結構在表面自由能的推力下會發生結構轉變，如Ag 納米立方體長時間放置后轉變成球形結構，從而改變原有的SERS 效應。由于Au 的化學性質穩定，無論作為Ag 微納結構的核或殼，都可極大地提高Au/Ag 復合基底的化學穩定性，有利于SERS 效應的研究和發展。Zhang 等[62]將Ag 納米立方體作為復合金屬基底的核分散在含有聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）的乙二醇（EG）溶液中，使用注射泵對HAuCl4 溶液進行滴定，通過控制HAuCl4 瞬時濃度，將AuNPs 原位生長在Ag 納米立方體表面，形成Ag@Au 雙金屬核殼納米立方體。以1，4-亞苯基二異氰酸酯（1，4-Phenylene diisocyanide， 1，4-PDI）為探針分子，發現Ag@Au 核殼納米立方比Au 納米微球具有更強的SERS 活性，該方法可擴展至Pd、Pt 和Ir 等金屬原位生長在Ag 微納結構表面形成的核-殼雙金屬納米晶體（圖8B）。Li 等[63]結合退火和電置換技術的超薄氧化鋁掩模模板構建了一種大面積、寬帶多孔和高密度“熱點”的Au/Ag 混合納米顆粒陣列，該多孔Au/Ag 陣列在SERS 分析中具有靈敏度高、信號均勻和穩定性好等優點，增強因子為2.2×107， RSD 為7.7%（圖8C）。Yang 等[64]制備了一種新型等離子體多層核-殼-衛星納米結構，由Au 納米球（AuNPs）和Ag 涂層核（Au@Ag）、超薄連續二氧化硅（SiO2）殼組成高覆蓋率的Au@Ag@SiO2-AuNPs 納米球衛星結構，該衛星結構表現出長程等離子體耦合，當利用甲胎蛋白（AFP）抗體修飾的核-殼-衛星納米結構作為SERS 免疫探針時，對AFP 的檢出限為0.3 fg/mL，線性響應范圍為1 fg/mL～1 ng/mL。上述研究表明，惰性金屬Au 或無機化合物SiO2 有助于活潑金屬納米粒子的化學穩定性，同時也能保持良好的SERS 活性，這為單金屬SERS 基底的改性提供了理論依據和實驗基礎。

近年來，雙金屬柔性SERS 基底逐漸被開發出來，許多柔性聚合物具有良好的柔韌性、變形性、抗靜電性、生物相容性和無損測量等優點，可作為金屬SERS 基底的支撐基體，主要用于水果表面殘留有害物質的快速測定。Wang 等[65]通過自組裝方法制備了夾在丙烯酸聚合物膠帶（T）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜（T/Au@Ag/PET）之間的Au@Ag 雙金屬陣列SERS 芯片，該基底由于高密度雙金屬粒子的間隙距離非常小（lt;3 nm），對被測分子表現出良好的靈敏度和信號可重現性，對結晶紫的檢出限為7.24×10–10 mol/L。采用SERS 柔性膠帶能實現簡單采樣，對蘋果、番茄和黃瓜皮上的福美雙的檢出限為5 ng/cm2（圖8D）。

2.4 半導體微納結構SERS 基底

1996 年， Wen[66]發現當花青染料D266 分子吸附在ZnO 膠體上時，其拉曼散射信號得到增強。隨后研究發現另外的一些半導體材料，如TiO2 和ZnS 等納米粒子由于吸附分子和半導體基底之間的電荷轉移作用[67-71]，從而具備一定的SERS 活性。由于半導體納米材料的多種參數和性能可控可調，通過調整貢獻共振位置優化基底的增強因子或其它相關效應，成為金屬SERS 基底的補充或替代，并在可重現性、生物相容性和可回收性等方面具有較大優勢。近年來，半導體SERS 基底備受關注。Wang 等[72]利用NaOH 和ZnCl2 制備了具有SERS 活性的ZnO 納米晶，以4-巰基吡啶（4-Mpy）為探針分子研究了該納米晶的SERS 效應，增強因子可達1×103。Fu 等[73]報道了吸附在α-Fe2O3 納米晶體（球體、紡錘體和立方體）亞單層上的4-Mpy 的SERS 光譜，與本體4-Mpy 溶液相比，增強因子約為1×104，這是因為ZnO 和α-Fe2O3 納米晶和4-Mpy 分子之間發生了電荷轉移，歸屬于CM。Qi 等[74]以聚苯乙烯微球為合成硬模板制備了TiO2 反蛋白石結構，發現該半導體微納結構對探針分子亞甲基藍（MB）的檢出限為6 μmol/L， 相比于平面TiO2 基底，該結構的SERS 活性得到極大提高（圖9A）。

盡管半導體納米粒子能產生SERS 增強，但化合物晶體通常不能產生表面等離激元效應，主要依靠基底和探針分子之間的電荷轉移實現化學增強。由于實驗條件所限，觀測到的SERS 現象很弱或難以觀測到。為了充分利用半導體納米粒子的電荷轉移作用，需要將其與Au 或Ag 進行復合改性，金屬微納結構的表面等離激元效應和半導體的電子轉移作用使得復合基底既具有電等離激元效應，又具有化學吸附能力，可達到優異的SERS 性能。Liu 等[75]通過紫外光照射將AgNO3 還原成AuNPs，并沉積在多孔結構化ZnO 微球上，對低濃度R6G 的檢出限為1×10–12 mol/L，增強因子可達2.44×1011（圖9B）。Yang 等[76]在Ag納米球上生長一層TiO2 膜，然后采用正丁胺將AgNO3 還原成AgNPs，并沉積在TiO2 膜上，形成Ag/TiO2/Ag復合納米球，以MB 為探針分子， MB 的SERS 強度與其濃度的對數呈現良好的線性關系，檢出限為1×10–10 mol/L，同時該基底對結晶紫也具有良好的選擇性（圖9C）。Yang 等[77]制備的3D 多孔ZnO/Ag SERS基底對R6G 的檢出限為1×10–11 mol/L， 對結晶紫、孔雀石綠和蘇丹Ⅰ等也表現出良好的選擇性。

2.5 殼層隔絕微納結構SERS 基底

2010 年，田中群等[78]首次提出基于殼層隔絕納米粒子的SERS 分析技術，將超薄SiO2 或Al2O3 殼包裹在Au 納米粒子表面， SERS 增強信號主要由表面包覆超薄SiO2 或Al2O3 殼的AuNPs 產生，當這種單層納米顆粒作為“智能灰塵”散布在待探測表面上時，超薄涂層可防止Au 納米顆粒聚集，避免其與探針分子直接接觸，以適應不同環境、不同類型分子的痕量檢測，由此開創了殼層隔離納米粒子增強拉曼光譜（Shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy （SHINERS））研究的先河（圖10A）。Sheena 等[79]在Si 基體上制備SiO2 封端的AgNPs，通過有限差分時域模擬方法評估了相同和不同的AgNPs 聚集體在金屬介電納米結組件中產生的熱點，討論了SiO2 的厚度對SERS 靈敏度的影響，對R6G 的檢出限為1×10– 10 mol/L，增強因子可達1×107，該SiO2-AgNPs@Si 基底可作為細胞水平檢測DNA 的理想平臺（圖10B）。Yang 等[80]采用CVD 方法將具有核殼結構的石墨烯@Cu 納米顆粒（G@CuNPs）直接沉積在G@Cu 基體上，制備了全面隔離的G@CuNPs/G@Cu SERS 基底， G@CuNPs 可以抑制R6G 的光漂白和熒光，從而產生更強的拉曼信號。石墨烯作為隔絕層，可以提供額外的化學增強以改善總體SERS 性能，也作為鈍化層抑制Cu 納米顆粒和Cu 基板的表面氧化，提高G@CuNP/G@Cu 基底的使用穩定性。殼層隔離納米粒子在材料科學、生物傳感和電化學等領域與非干擾等離子體增強傳感相關的研究中具有較好的應用，這些納米粒子的金屬核心與周圍環境隔離，防止與金屬表面直接接觸或化學相互作用，但是仍能保證金屬局部表面等離激元效應和分析物的拉曼散射信號的增強。迄今為止，絕大多數殼層設計都集中在球形納米粒子核周圍的SiO2 殼上，為了擴寬殼層隔絕納米粒子的制備技術， Boccorh 等[81]將聚磺苯乙烯（PSS）等聚合物殼引入到金屬納米粒子的表面，這種殼層的厚度容易控制，并且可應用于多種形狀和尺寸的等離子金屬納米粒子，而不會影響整體納米粒子的形態，如以Au 納米球和各向異性Au 納米星狀為核，聚合物殼層顯示出優異的鈍化特性和穩定性，可以實現單納米顆粒SERS 的高靈敏度檢測（圖10C）。Dai 等[82]開發了一種MnO2 殼層隔絕SERS 納米探針（Au-Mpy-Au-MnO2， AMAM）用于定量檢測血清中的痕量堿性磷酸酶（ALP）。如圖10D 所示，由于MnO2 殼的物理隔離， AMAM 具有高穩定性，不易發生聚集， SERS 信號強度可通過蝕刻MnO2 殼層調控。該方法檢測ALP 的動態線性范圍為0.1～70 U/L，檢出限為0.079 U/L。

3 結論與展望

SERS 技術是探測簡單小分子和一些復雜分子的有效方法，廣泛用于物理、化學、環境、生物和醫學等領域，近年來關于SERS 的研究呈爆炸式增長，推動了SERS 技術在多學科領域的蓬勃發展，具體表現在以下方面：

（1）為了不斷深入了解EM 和CHEM 機制， SERS 中相關次級過程的研究以及量子效應的引入為SERS 增強機理提供了更精確的描述和預測，進一步證明了納米和亞納米尺度金屬納米粒子之間或金屬粒子和平面金屬基板的間隙存在強烈的電磁場耦合效應。根據此規律，近年來關于SERS 的研究主要集中于實現SERS 基底的優異質量和形態結構的可控制備，如設計更小、更精確、更便攜的2D 和3D 納米間隙的SERS 基底，進而利用這些技術快速制備成本較低、可重復、可大規模生產且性能穩定的SERS響應基底或納米標簽。

（2）SERS 技術作為一種光譜分析手段， SERS 基底的高靈敏度、效率和信號可重現性是該檢測技術的關鍵因素。在此背景下，由SERS 原理而衍生出多種檢測技術，如SERS 納米標記、SERS 化學傳感器、手性選擇性技術、SHINERS 技術和TERS 技術等，能高效完成單分子檢測、痕量分子的識別和生物醫學中的相關檢測。這些技術涉及到數據統計和分析，是復雜混合物中多種分子/組分的量化和識別的基礎，也是分析化學、材料科學、生物醫學和環境應用的關鍵步驟。然而，基于這些SERS 技術的光學和化學性質的優化，包括分析物與等離子體表面的耦合、理論建模與實驗數據的統一等，都需要相應的數學模型和數據分析表達，進而更加深入地理解SERS 的原理及過程，并實現SERS 技術作為一種標準分析方法應用于多個學科領域。

（3）SERS 技術的擴展應用，一是生物檢測方面的應用，如無標簽SERS 生物傳感器通過單一雜交步驟用于DNA 檢測，無需二次雜交或雜交后清洗，從而縮短了檢測時間，減少了試劑用量；SERS 生物成像技術能避免熒光檢測方案中經常遇到的光漂白，可以替代傳統的成像技術，實現生物樣品的快速分析。二是醫學檢測方面的應用。SERS 技術的主要臨床應用可能包括：手術過程中檢測腫瘤邊緣；通過內窺鏡檢查、結腸鏡檢查或其它光纖引導成像，實現可視化檢測身體內部的淺表病變組織；液體活檢，包括血液或其它體液中疾病生物標志物的識別。三是環境污染物的監測。SERS 技術是監測細菌污染以及生態系統中無機和劇毒有機污染物的有力工具，檢測閾值可低至ppb 水平，目前采用SERS 技術已實現食品分析中的質量控制和營養成分的定量檢測，檢出限降至納摩爾范圍。四是在化學催化反應中的應用。在催化化學領域，表面等離子體基底能有效促進溫和條件下的催化反應，包括液基和氣基反應，通過跟蹤SERS 光譜隨時間的演變，可以對其進行原位監測，快速檢測反應物種（即反應物、中間體和產物）和組成，靈敏度低至單分子水平。

此外， SERS 在能源與器件（太陽電池、鋰（鈉）離子電池、燃料電池和超級電容器）、聚合物及其共混物的表面與界面、碳材料（石墨、石墨烯、碳納米管和無定型碳等）的結構剖析、化合物分子在固相（液相）界面的分子構象、電極材料表面氧化與還原、有機物合成過程中的原位監測、MOF 材料的制備與應用、化合物（或聚合物）的結晶過程與機理等方面都具有應用潛力。目前， SERS 技術已成為一種重要的、高效的光譜分析手段。期待相關商業化產品快速發展，包括根據要求制備增強基底、建立高空間分辨率檢測和高效的成像方法，可以與多種現有產品形成競爭或互補，為分析技術的發展提供支持。