表面增强拉曼散射.ppt

《表面增强拉曼散射.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面增强拉曼散射.ppt（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、表面增强拉曼散射表面增强拉曼散射SERSSERS目录目录 一、纳米颗粒概述及一、纳米颗粒概述及SERSSERS相关历史相关历史 二、二、SERSSERS原理原理 三、三、SERSSERS仪器仪器 四、四、SERSSERS应用应用 五、五、SERSSERS前景前景2 2一、纳米颗粒概述及一、纳米颗粒概述及SERSSERS相关相关历史历史3 3一、纳米颗粒概述及一、纳米颗粒概述及SERSSERS相关相关历史历史 纳米纳米材料材料: : 广义广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度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范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构

2、成所构成的的材料材料的的总称总称。 纳米纳米材料特性：材料特性： 表面效应表面效应 小小尺寸尺寸效应效应 宏观宏观量子量子隧道效应隧道效应 量子量子限域限域效应效应4 4表面效应表面效应 指指纳米纳米颗颗粒粒表面表面原子数原子数与与总原子数总原子数之比随粒径之比随粒径变小变小而急剧而急剧增大后所引起的性质上的变化增大后所引起的性质上的变化。 5 5表面效应表面效应6 6小尺寸效应小尺寸效应 当当纳米微粒尺寸与纳米微粒尺寸与光波波长光波波长，传导电子，传导电子的的德德布罗意布罗意波长波长等等物理特征尺寸相当或更小时物理特征尺寸相当或更小时，纳纳米微粒米微粒的的周期性周期性边界边界将被破坏。将被破

3、坏。 其其结果是纳米材料的结果是纳米材料的声声、光、电、光、电、磁磁、热、热、力学等性能将异于普通材料。力学等性能将异于普通材料。7 7小尺寸效应小尺寸效应 例如例如，铜颗粒铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电达到纳米尺寸时就变得不能导电； 绝缘的绝缘的二氧化硅二氧化硅颗粒颗粒在在2020纳米时却开始导电纳米时却开始导电。 利用这利用这一一特性特性，可以高效率，可以高效率地地转变转变太阳能为太阳能为热热能、能、电能。电能。8 8宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子微观粒子具有的能够具有的能够贯穿贯穿势垒势垒的的能力能力称为称为隧道隧道效应效应。 纳米粒子可以纳米粒子可以穿过宏观系统的势垒而

4、产生变化，穿过宏观系统的势垒而产生变化，这被这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。9 9量子限域效应量子限域效应 又称量子尺寸效应，又称量子尺寸效应，当当粒子粒子的的尺寸达到纳米量尺寸达到纳米量级时级时，费米能级费米能级附近的附近的电子能级电子能级由由连续态分裂成连续态分裂成分立分立能级能级。 当当能级间距大于热能、能级间距大于热能、磁能磁能、静电能静电能、静磁能、静磁能、光子光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应量子效应。1010量子限域效应量子限域效应 例如例如，有种，有种金属金属纳米粒子纳米粒子吸收吸收光线能

5、力非常强，光线能力非常强，在在1.13651.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明水就会变得完全不透明。1111纳米材料分类及应用纳米材料分类及应用 纳米纳米材料材料分为：分为： 纳米粉末纳米粉末 纳米纤维纳米纤维 纳米膜纳米膜 纳米块体纳米块体1212纳米材料分类及应用纳米材料分类及应用 纳米粉末纳米粉末：粒度：粒度一般一般在在100100nmnm以下以下。介于介于原子、原子、分子与宏观分子与宏观物体间物体间的的中间中间物态的固体颗粒材料物态的固体颗粒材料。 纳米纳米纤维纤维：直径：直径为纳米为纳米尺度的尺度的线状材料线状材料。 可

6、用可用于：微导线、微于：微导线、微光纤新型光纤新型激光或发光二极激光或发光二极管材料等。管材料等。1313纳米材料分类及应用纳米材料分类及应用 纳米膜纳米膜：颗粒膜：颗粒膜、致密致密膜。膜。颗粒膜颗粒膜是纳米颗粒是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致致密密膜膜是是膜膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。 可用可用于：气体于：气体催化催化、过滤器过滤器、高密度高密度磁记录磁记录材材料料、光敏材料光敏材料、平面显示器平面显示器、超导超导材料等材料等。 纳米块体纳米块体：将：将纳米粉末高压成型或控制金属液纳米粉末高压成型或控

7、制金属液体结晶体结晶而而成成。 可用于可用于：超高强度材料；智能金属材料等。超高强度材料；智能金属材料等。1414拉曼散射历史拉曼散射历史l 19051905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释释。l 19221922年年9 9月，拉曼在光的分子衍射一书中月，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论所预期的不同的结果结果。l 19231923年年A.G.S.A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发

8、斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。生改变的散射。1515拉曼散射历史拉曼散射历史l海森堡在海森堡在19251925年预言，在可见光中可能也会有年预言，在可见光中可能也会有类似的效应存在。类似的效应存在。l19231923年，拉曼和他的助手发现一种年，拉曼和他的助手发现一种“荧光荧光”效效应应。以以太阳光为光源，观察它穿过蒸馏水的散太阳光为光源，观察它穿过蒸馏水的散射线射线，并在并在入射光入射光路中加一个紫色滤光路中加一个紫色滤光镜镜，未，未料料观察观察到一种较通常的散射线波长有微弱变化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的二次射线，他们将此种微弱射

9、线归结为某种“荧光荧光”现象。现象。1616拉曼散射历史拉曼散射历史 但是但是但是但是 他们他们不敢轻易下结论，因为这种现象太弱了不敢轻易下结论，因为这种现象太弱了。 之后之后，他们找到了将荧光分离出来的一种手段，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放置一对互补滤色镜滤色镜。1717拉曼散射历史拉曼散射历史 结果结果发现，穿过样品的散射光通过滤光镜后并发现，穿过样品的散射光通过滤光镜后并未完全消失，还能观测到暗淡的未完全消失

10、，还能观测到暗淡的光线光线。 当时给出当时给出解释为解释为：样品样品中含有某些杂质，激发中含有某些杂质，激发出荧光出荧光。 这种这种这种这种解释被解释被解释被解释被大多数实验否定大多数实验否定大多数实验否定大多数实验否定。1.1.在在8080多种不同的、经过精心提纯的液体样品多种不同的、经过精心提纯的液体样品中无一例外的存在着；中无一例外的存在着；2.2.在甘油样品实验中，这种现象更为明显，并在甘油样品实验中，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。且最后的出射线已被极化，成了偏振光。1818拉曼散射历史拉曼散射历史 拉曼和助手把此现象与克拉姆斯拉曼和助手把此现象与克拉姆斯海森

11、堡的海森堡的色散理论相联系，称之为色散理论相联系，称之为“分子散射分子散射”。经过。经过5 5年的研究，年的研究，19281928年年2 2月月1616日，向日，向sciencescience投稿。投稿。 之后，改进试验装置，用大孔径聚光器、汞弧之后，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。灯及滤光片获得了较强的单色光。19281928年年2 2月月2828日下午，观察液体散射光谱时，观察到汞弧灯日下午，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实了散射光不仅有红移红移，还有，还有蓝移

12、蓝移。1919拉曼散射历史拉曼散射历史 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，三十年代至六十年代，拉曼散射的拉曼散射的研究处于一研究处于一个低潮时期，主要的原因来自激发光源太弱的个低潮时期，主要的原因来自激发光源太弱的问题问题。 1960 1960 年，红宝石激光器的出现，使得拉曼散年，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。激发光源，大大提高了激发效

13、率。2020SERSSERS的发现的发现 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. 文章文章中，他们报道了吸附在用电化学方法粗糙化的中，他们报道了吸附在用电化学方法粗糙化的银电银电极表面的吡啶分子极表面的吡啶分子在不同电位下的拉曼光谱，表明了拉在不同电

14、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子的信息。 由此便开启了拉曼散射这一现象的全新应用：由此便开启了拉曼散射这一现象的全新应用：SERSSERS2121参考文献参考文献 1.1.https:/zh.wikipedia.org/wiki/纳米颗粒纳米颗粒 2.2.戈丹戈丹, ,千舒千舒. .震惊震惊世界的世界的100100个科学个科学发现发现( (下下).).呼和浩特呼和浩特：内蒙古人民：内蒙古人民出版社出版社,2007.,2007. 3.Fleischmann, M. et. Al., Chem. Ph

15、ys. Lett. 1974, 26, 163 4.Jeanmaire, D. L., Van Duyne, R. P. J. Electroanal. Chem. 1977, 84, 1. 5.Albrecht, M. G., Creighton, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 5215. 6.http:/ 2.1 拉曼散射原理拉曼散射原理 拉曼散射拉曼散射： 定义：定义： 指指光波在被光波在被散射散射后频后频率发生变化的率发生变化的现象现象 图片来源：图片来源：httphttp:/www.raman.de/assets/img/raman-:/www.

16、raman.de/assets/img/raman-intensities.jpgintensities.jpg24242.1.1 2.1.1 光的光的粒子性的粒子性的角度角度 光子光子与与分分子子的非弹性碰撞的非弹性碰撞25252.1.2 2.1.2 能级跃迁角度能级跃迁角度拉曼散射拉曼散射的入射光子的能量不等于分子任意两能的入射光子的能量不等于分子任意两能级之间的能级之间的能级差。级差。虚能级：虚能级：分子分子在这段时间内能保存从入射光子处吸收的能在这段时间内能保存从入射光子处吸收的能量，此时分子能量量，此时分子能量比基态比基态高，但又不对应任何一高，但又不对应任何一个真实的能级，我们称此

17、时分子处于一个虚能级个真实的能级，我们称此时分子处于一个虚能级。虚能级是虚能级是一种非常短暂的，不可观察的一种非常短暂的，不可观察的量子态。量子态。26262.1.2 2.1.2 能级跃迁角度能级跃迁角度2727基态基态激发态激发态虚能级虚能级h(v0-v)斯托克斯线斯托克斯线v v0 0- -v vhv0hv0瑞利散射瑞利散射v v0 0h(v0+v)反斯托克斯线反斯托克斯线v v0 0+ +v v散射线的强度散射线的强度如何解释？如何解释？虚能级虚能级hv0hv02.1.2 2.1.2 能级跃迁角度能级跃迁角度 根据波尔兹曼分布，处于基态的粒子数远大于根据波尔兹曼分布，处于基态的粒子数远大

18、于处于振动激发态的粒子处于振动激发态的粒子数数 Anti-StokesAnti-Stokes谱线与谱线与StokesStokes谱线的谱线的强强度度比比满足公满足公式：式：28282.1.3 2.1.3 诱导偶极矩诱导偶极矩角度角度29292.2 2.2 表面增强原理表面增强原理30302.2.1 2.2.1 电磁增强电磁增强31312.2.1 2.2.1 电磁增强电磁增强32322.2.1 2.2.1 电磁增强电磁增强33332.2.1 2.2.1 电磁增强电磁增强34342.2.1 2.2.1 电磁增强电磁增强35352.2.2 2.2.2 化学增强化学增强 化学化学增强被定义为样品分子吸

19、附在衬底上时增强被定义为样品分子吸附在衬底上时极化率极化率的变化的变化。 增强的数量级：增强的数量级：10-10010-100 电荷转移模型（普遍接受）电荷转移模型（普遍接受）36362.2.2 2.2.2 化学增强化学增强 电荷转移模型电荷转移模型 Type I: Type I: 样品分子样品分子没有与纳米金属粒子共价结合没有与纳米金属粒子共价结合 Type II: Type II: 样品分子与金属纳米粒子共价结合或通样品分子与金属纳米粒子共价结合或通过电解质离子间接结合过电解质离子间接结合 Type III: Type IIType III: Type II的更加复杂的形式的更加复杂的形式

20、 包含光驱动的电荷转移的过程包含光驱动的电荷转移的过程3737参考文献参考文献 1.1.http:/www.raman.de/assets/img/raman-intensities.jpg 2 2. .https:/en.wikipedia.org/wiki/Virtual_state 3.3.董炎明董炎明, ,熊晓鹏熊晓鹏, ,郑薇等郑薇等. .高分子研究高分子研究方法方法. .中国中国石化出版社石化出版社,2011,04:,2011,04:222-224.222-224. 4.4.Eric C. Le Ru, Pablo G. Etchegoin. Principles of surfa

21、ce enhanced raman spectroscopy and related plasmonic effects. Elsevier Science, 2008, 11: 185-264. 5. 兰燕娜兰燕娜, ,周玲周玲. . 表面增强拉曼光谱表面增强拉曼光谱J. J. 南通工学院学报南通工学院学报( (自然科自然科学版学版), 2004, (02):21-23.), 2004, (02):21-23.3838三、三、SERSSERS仪器仪器3939三、三、SERSSERS仪器仪器 仪器的种类及结构仪器的种类及结构组成组成1-31-3 纳米基底或探针的制备纳米基底或探针的制备4-64

22、-64040色散型激光拉曼光谱仪色散型激光拉曼光谱仪4141傅立叶变换拉曼光谱仪傅立叶变换拉曼光谱仪4242衬底或探针的衬底或探针的制备制备 表面增强拉曼散射光谱是需要利用表面具有纳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为分析物衬底来产生 SERS SERS 效应效应 衬底纳米材料的性质主要是由材料本身的尺寸、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，

23、可能导致生了微小的变化，可能导致 SERS SERS 增强因子产增强因子产生几个数量级的变化生几个数量级的变化4343衬底衬底或探针的制备或探针的制备 金属纳米粒子溶胶溶液金属纳米粒子溶胶溶液 纳米纳米光刻法光刻法 模板模板法法 光纤探针光纤探针4444金属纳米粒子溶胶溶液金属纳米粒子溶胶溶液 制备制备方法方法 柠檬酸三钠还原法：取一定量的硝酸银溶液转柠檬酸三钠还原法：取一定量的硝酸银溶液转移至移至250ml250ml圆底烧瓶中，油浴加热，不断搅拌。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

24、加热搅加入硝酸银溶液中，滴加完成后，继续加热搅拌拌60min60min后，停止加热，自然冷却，得到灰色的后，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。银溶胶，倒入棕色的广口瓶中避光保存。4545金属纳米粒子溶胶溶液金属纳米粒子溶胶溶液 优点：优点： 制备简便易行制备简便易行 增强增强效应比较效应比较好好 缺点缺点： 适用范围适用范围小小 金属金属溶胶是一种亚稳态体系溶胶是一种亚稳态体系, ,加入分析物后粒子加入分析物后粒子容易聚集容易聚集, ,但溶胶的聚集程度难以控制但溶胶的聚集程度难以控制, ,导致拉导致拉曼信号的重现性差曼信号的重现性差4646纳米光刻法纳米光刻法

25、直接在固体基底上制备的纳米结构直接在固体基底上制备的纳米结构SERSSERS衬底衬底 最常用的现代光刻技术为聚焦离子束和最常用的现代光刻技术为聚焦离子束和电子束电子束光刻技术光刻技术 可以精确控制纳米结构的大小和形状可以精确控制纳米结构的大小和形状4747纳米光刻法纳米光刻法4848电子束光刻原理图纳米光刻法纳米光刻法 电子束光刻技术：电子束光刻技术： 把把10-50keV10-50keV的电子束聚焦在的电子束聚焦在SiOx/SiSiOx/Si固体基底上，固体基底上，并在其表面涂上电子束抗蚀剂，电子束选择性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，形成预的腐蚀掉

26、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定形貌的纳米粒子阵列4949纳米光刻法纳米光刻法5050EBL方法制备的阵列结构SERS衬底的SEM图纳米光刻法纳米光刻法 电子束光刻法电子束光刻法 优点：优点： 与一般的光学光刻法相比，成本较低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，精确控制纳米粒子的形状、大小以及粒子间隔，重现性重现性好好 缺点：缺点： 耗时，产量低耗时，产量低 邻近效应限制分辨率邻近效应限制分辨率5151模板法模板法 把可控几何形状的金属纳米粒子沉积在模板上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模

27、板的直接合成是一个宽泛的研究领域，常用，常用的模板主要分为的模板主要分为硬模板硬模板和软模板和软模板5252模板法模板法 硬模板：硬模板： 阳极氧化铝模板（阳极氧化铝模板（AAOAAO）是一种蜂窝状密集排列）是一种蜂窝状密集排列的数以万计的纳米级孔结构，常被用来制备高的数以万计的纳米级孔结构，常被用来制备高性能的性能的SERSSERS衬底衬底5353模板法模板法5454硬模板法制备Ag纳米棒及其应用示例模板法模板法5555不同浓度的R6G溶液在这种SERS衬底上的拉曼光谱模板法模板法 优点：优点： 使大规模生产得以实现使大规模生产得以实现 成本较低成本较低 硬膜硬膜法重现性较好法重现性较好 软

28、膜法能制备不同形状的纳米结构软膜法能制备不同形状的纳米结构 缺点：缺点： 硬膜法所得纳米结构比较单一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软膜法重现性相比硬膜法较差5656光纤探针光纤探针 利用光纤材料，经过适当地物理或者利用光纤材料，经过适当地物理或者化学处理化学处理使光纤针头表面粗糙化，再利用使光纤针头表面粗糙化，再利用自组装自组装、激光、激光诱导、真空蒸镀等方法在其表面镀上一层金属诱导、真空蒸镀等方法在其表面镀上一层金属纳米粒子纳米粒子 锥形、直形、锥形、直形、D D形、楔形形、楔形5757光纤探针光纤探针 锥柱组合型光纤探针是先经氢氟酸腐蚀出锥柱锥柱组合型光纤探针是先经

29、氢氟酸腐蚀出锥柱结构结构, , 再通过自组装法把银纳米颗粒修饰到光再通过自组装法把银纳米颗粒修饰到光纤纤表面表面5858光纤探针光纤探针5959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光纤探针光纤探针6060锥柱型光纤探针表面上银纳米颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像光纤探针光纤探针6161锥柱形探针灵敏度检测光纤探针光纤探针 优点优点： 方法简单方法简单、可靠且、可靠且低成本低成本 重现重现性较好，可以满足一般样品检查性较好，可以满足一般样品检查 远程传感远程传感功能功能 缺点：缺点： 不能精确控制纳米粒子镀层的参数不能精确控制纳米粒子镀层的参数6262参考文献参

30、考文献 1.1.潘铁英潘铁英, ,康燕康燕, ,钱钱枫枫. .波谱波谱解析解析法法( (第三版第三版)M.)M.上海上海：华东理工大学华东理工大学出版社出版社,2015,07:141.,2015,07:141. 2.2.周周宇宇超超. .拉曼光谱仪拉曼光谱仪J.J.中国中国医学医学装备装备,2004,1(4).,2004,1(4). 3.3.李淑玲李淑玲. .拉曼光谱仪及其应用进展拉曼光谱仪及其应用进展J.J.岩矿测试岩矿测试,1998,17(4).,1998,17(4). 4.4.董前民等董前民等. .表面增强拉曼散射衬底的研究及应用表面增强拉曼散射衬底的研究及应用J.J.光谱学与光谱光谱学

31、与光谱分析分析,2013,33(6).,2013,33(6). 5.Ding H P, Wang M Chen L J, et al. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2011,387,(1-3):1. 6.6.郭旭东等郭旭东等. .锥锥柱型光纤探针在表面增强拉曼散射方面的柱型光纤探针在表面增强拉曼散射方面的应用应用J.J.物物理学报理学报,2017,66(4).,2017,66(4).6363四、四、SERSSERS应用应用6464四、四、SERSSERS应用领域应用领域 分析化学分析化学 生

32、物医学检测生物医学检测 表面吸附和催化反应表面吸附和催化反应 金属防腐金属防腐 6565FOCUSFOCUS SERSSERS纳米纳米传感器在活细胞中的传感器在活细胞中的应用应用 SERSSERS“分子前哨分子前哨”（SERS-MSSERS-MS）6666SERSSERS纳米纳米传感器在活细胞中的应用传感器在活细胞中的应用 在活细胞研究中在活细胞研究中SERSSERS的优势的优势 纳米颗粒的纳米颗粒的选择选择 金金纳米探针进入活细胞的纳米探针进入活细胞的过程过程 SERSSERS光谱分析结果光谱分析结果 对金纳米颗粒的保护对金纳米颗粒的保护 吲哚吲哚菁绿信号标记的菁绿信号标记的SERSSERS

33、纳米纳米传感器（传感器（ICG-ICG-SERSSERS）6767在活细胞研究中在活细胞研究中SERSSERS的优势的优势 在关于活细胞，组织和微生物的众多研究中，在关于活细胞，组织和微生物的众多研究中，有两个主要参数有两个主要参数： 1 1. .横向分辨率，影响生物体的大小，横向分辨率，影响生物体的大小，数量和数量和异异质性质性（s s）信息）信息； 2 2. .检测灵敏度：影响测量的持续时间以及样品检测灵敏度：影响测量的持续时间以及样品的完整性，时间分辨率和体内适用性。的完整性，时间分辨率和体内适用性。 SERSSERS的优势：的优势：1 1. .横向分辨率高；横向分辨率高；2.2.检测灵

34、敏度检测灵敏度高。高。6868纳米颗粒的选择纳米颗粒的选择 要求要求： 1 1. .金属纳米结构需要与生物系统相容金属纳米结构需要与生物系统相容; ; 2 2. .材料应该是惰性的，如果可能，不影响其周材料应该是惰性的，如果可能，不影响其周围环境围环境。6969金纳米探针进入活细胞的过程金纳米探针进入活细胞的过程 在用在用SERSSERS纳米纳米传感器探测活细胞的过程传感器探测活细胞的过程中，许中，许多多细胞本身不需要进一步的诱导就能吸收细胞本身不需要进一步的诱导就能吸收纳米纳米探针探针。该方法可用于选择性地探测细胞中囊泡该方法可用于选择性地探测细胞中囊泡转运中涉及的细胞亚结构转运中涉及的细胞

35、亚结构。7070金纳米探针进入活细胞的过程金纳米探针进入活细胞的过程7171SERSSERS光谱分析光谱分析结果结果7272对金纳米颗粒的保护对金纳米颗粒的保护不同不同的方法已被提出保护金的方法已被提出保护金纳米纳米颗粒颗粒，例如使用例如使用牛血清白蛋白牛血清白蛋白。在添加。在添加胎牛血清（胎牛血清（FCSFCS）的培养的培养条件下，可以防止培养基条件下，可以防止培养基中金纳米颗粒的中金纳米颗粒的絮凝，絮凝，胶体粒子能够稳定数天之久。将纳米颗粒浸入含胶体粒子能够稳定数天之久。将纳米颗粒浸入含FCSFCS的培养基中的的培养基中的TEMTEM研究结果表明，除了单个颗研究结果表明，除了单个颗粒之外，

36、形成的纳米聚集体的直径大约只有粒之外，形成的纳米聚集体的直径大约只有100nm100nm。7373 （a a）浸入细胞培养液（内含胎牛血清）中的金纳米粒）浸入细胞培养液（内含胎牛血清）中的金纳米粒子的电子显微镜子的电子显微镜照片照片 （b b）用金纳米颗粒（箭头）孵育）用金纳米颗粒（箭头）孵育2 2小时后，在内体中显小时后，在内体中显示单个颗粒的上皮细胞的电子显微照片示单个颗粒的上皮细胞的电子显微照片7474吲哚菁绿信号标记的吲哚菁绿信号标记的SERSSERS纳纳米传感器（米传感器（ICG-SERSICG-SERS） 利用利用SERSSERS方法创建具有高灵敏度，特异性和空方法创建具有高灵敏度

37、，特异性和空间定位的光学标签对于细胞内探测是非常有必间定位的光学标签对于细胞内探测是非常有必要的要的，可以在细胞环境中提供化学分子和结构，可以在细胞环境中提供化学分子和结构信息的标签对于细胞研究将更有帮助。信息的标签对于细胞研究将更有帮助。 生物相容性染料吲哚菁绿（生物相容性染料吲哚菁绿（ICGICG）经常被用作生）经常被用作生物医学应用的荧光标记物。因此物医学应用的荧光标记物。因此ICG-SERSICG-SERS纳米纳米传感器在生物医学方面也得到了广泛应用。传感器在生物医学方面也得到了广泛应用。7575（a a）使用）使用激发波长激发波长786nm786nm获得的银（痕量获得的银（痕量A A

38、）和金（痕量）和金（痕量B B）胶体溶液中胶体溶液中的的1010-7-7MICG-SERSMICG-SERS光谱。光谱。 （b b）含有与）含有与HSAHSA结合的结合的510510-6-6M M吲哚菁绿（吲哚菁绿（ICGICG）的银和金胶）的银和金胶体样品溶液（分别为光谱体样品溶液（分别为光谱A A和和B B）的消光光谱。）的消光光谱。 插图显示了插图显示了在水中与在水中与HSAHSA结合的结合的510510-6-6M ICGM ICG的吸收。的吸收。7676ICG-SERSICG-SERS的应用的应用为了研究为了研究HSAHSA对对SERSSERS光谱的影响，我们测量了在金胶体溶液中与光谱

39、的影响，我们测量了在金胶体溶液中与HSAHSA结合的纯结合的纯ICGICG和和ICGICG的光谱。的光谱。 两个光谱显示出非常相似的特征。两个光谱显示出非常相似的特征。 这些发现与最近的观察结果非常一致，即血清白蛋白不会干扰这些发现与最近的观察结果非常一致，即血清白蛋白不会干扰SERSSERS的检测。的检测。 光谱之间光强的差异非常可能与无光谱之间光强的差异非常可能与无HSAHSA样品中染料样品中染料聚集体的形成有关。聚集体的形成有关。 这个实验证明了这个实验证明了HSAHSA处理处理的重要性。的重要性。7777SERSSERS“分子前哨分子前哨”（SERS-SERS-MSMS） SERSSE

40、RS“分子前哨分子前哨”是一是一种新的诊断方法，其涉种新的诊断方法，其涉及等离子体激元基纳米及等离子体激元基纳米探针，探针，由一端具有拉曼由一端具有拉曼标记分子的标记分子的DNADNA发夹环和另一端的金属纳米颗粒发夹环和另一端的金属纳米颗粒组成。组成。 MSMS纳米纳米探针探针具有具有两两个基本特征个基本特征： 1 1. .等离子体激元效应的调制以改变标记的等离子体激元效应的调制以改变标记的SERSSERS光谱强度光谱强度; ; 2.DNA2.DNA发夹环序列识别和鉴别各种分子靶序列的发夹环序列识别和鉴别各种分子靶序列的特异性。特异性。7878金属表面存在着大量的价电子，金属表面存在着大量的价

41、电子，它们自由地运动在费米面内，它们自由地运动在费米面内，由于库仑作用的长程性，导致由于库仑作用的长程性，导致电子系统存在着集体激发，其电子系统存在着集体激发，其密度起伏相对于原子核的正电密度起伏相对于原子核的正电荷背景而言，形成一个正负离荷背景而言，形成一个正负离子的集体的振荡，如图所示，子的集体的振荡，如图所示，称为表面等离子体激称为表面等离子体激元。被激元。被激发的表面等离子体激元，会在发的表面等离子体激元，会在纳米材料附近纳米材料附近形成形成比激发电场比激发电场强数倍甚至数十倍的电场强数倍甚至数十倍的电场7979 当当MSMS探针处于发夹（闭合状态）构象时，探针处于发夹（闭合状态）构象

42、时，SERSSERS信号信号被检测到，而被检测到，而SERSSERS信号在开放（杂交）状态下降低信号在开放（杂交）状态下降低8080 当当拉曼标记物与纳米颗粒接触或接近时（拉曼标记物与纳米颗粒接触或接近时（1nm1nm），），诱导相邻的拉曼标记分子产生强的诱导相邻的拉曼标记分子产生强的SERSSERS效应。在正效应。在正常条件下，当用激光激发拉曼标签时，发夹环配置常条件下，当用激光激发拉曼标签时，发夹环配置与强的与强的SERSSERS信号一致。然而，当与互补靶信号一致。然而，当与互补靶DNADNA进行杂进行杂交时，发夹环开放并物理分离拉曼标记物与纳米颗交时，发夹环开放并物理分离拉曼标记物与纳米

43、颗粒。粒。由于由于SERSSERS的光谱信号强烈的光谱信号强烈依赖于拉曼标记和金依赖于拉曼标记和金属纳米属纳米颗粒之间颗粒之间的距离的距离d d，杂交过程导致，杂交过程导致SERSSERS效应的效应的强烈降低。强烈降低。 等离子体激元纳米探针起到分子前哨的作用，巡视等离子体激元纳米探针起到分子前哨的作用，巡视样品溶液，当没有显着事件发生时，其警告灯样品溶液，当没有显着事件发生时，其警告灯“开开启启”。每当识别和检测到。每当识别和检测到目标目标DNADNA时时，分子哨兵就会，分子哨兵就会熄灭它们的光，从而提供可测量的光学信号变化。熄灭它们的光，从而提供可测量的光学信号变化。8181 使用使用SE

44、RS“SERS“分子前哨分子前哨”探针检测探针检测HIV1HIV1序列：没序列：没有靶有靶DNADNA序列的序列的HIV1 HIV1 SERS-MSSERS-MS纳米探针的纳米探针的SERSSERS光谱（上曲线：空白）光谱（上曲线：空白）和存在非互补和存在非互补DNADNA靶序列靶序列（中间曲线：阴性诊断）（中间曲线：阴性诊断） 和互补的和互补的HIV1 DNAHIV1 DNA靶标靶标（下曲线：阳性诊断）。（下曲线：阳性诊断）。 来自来自SERMSSERMS纳米探针的纳米探针的SERSSERS信号的阈值电平用信号的阈值电平用虚线表示虚线表示8282参考文献参考文献 1 1. .韩晓韩晓霞霞.

45、.基于基于表面增强拉曼散射的蛋白质检测方法表面增强拉曼散射的蛋白质检测方法研究研究D.D.吉林吉林大学大学,2009,5.,2009,5. 2.2.兰燕娜兰燕娜, ,周玲周玲. .表面表面增强增强拉曼光谱拉曼光谱J.J.南通南通工学院工学院学报学报( (自然科学自然科学版版) ), ,2004,(02)2004,(02): :21-23.21-23. 3.3.Kneipp, Katrin, Moskovits, Martin, Kneipp, Harald. Surface-Enhanced Raman Scattering: Physics and ApplicationsM. Spring

46、er, 2006: 335-349, 409-426.8383五五、SERSSERS前景前景84841 1、新兴应用、新兴应用 非标记的组织非标记的组织SERSSERS检测检测 临床肿瘤病理的临床肿瘤病理的分子水平分子水平 SERSSERS尚未开展尚未开展活体研究活体研究 TERSTERS技术技术 TERS & TERS & 内窥镜内窥镜85851 1、新兴应用、新兴应用86861 1、新兴应用、新兴应用87871 1、新兴应用、新兴应用 免疫检测免疫检测 以标记以标记DTNBDTNB的金纳米粒子作为探针，首次开展的金纳米粒子作为探针，首次开展SERSSERS技术原位检测人前列腺组织切片中技术

47、原位检测人前列腺组织切片中PSAPSA抗原抗原的表达的表达 研究发现上皮细胞中有很强的研究发现上皮细胞中有很强的SERSSERS信号，而间信号，而间质或腺腔中未探测到质或腺腔中未探测到SERSSERS信号信号88881 1、新兴应用、新兴应用 免疫检测免疫检测 磁珠复合物磁珠复合物+ +外周血检测法外周血检测法 组织组织切片中蛋白质表达的分析切片中蛋白质表达的分析 循环肿瘤细胞的检测；活体肿瘤的靶向检测循环肿瘤细胞的检测；活体肿瘤的靶向检测 探针的特异性提高后可广泛应用于临床探针的特异性提高后可广泛应用于临床89892 2、优点、优点 可用于固、气、液相可用于固、气、液相 检测条件温和，对温度

48、和压强等不敏感检测条件温和，对温度和压强等不敏感 短时程短时程 可用于水溶剂体系可用于水溶剂体系 检出限低，甚至可用于单个分子检出限低，甚至可用于单个分子 不需要太强的光强，漂白效应很低不需要太强的光强，漂白效应很低90902 2、优点、优点 退偏度退偏度 拉曼散射条带的退偏度值取决于分子的对称性以及标拉曼散射条带的退偏度值取决于分子的对称性以及标准的振动模式准的振动模式 退偏度取值区间为退偏度取值区间为00.7500.75 当取值为当取值为0 0时，称为完全偏振带；取值时，称为完全偏振带；取值00.7500.75之间时，之间时，称为部分偏振带；取值为称为部分偏振带；取值为0.750.75时，

49、称为退偏带时，称为退偏带 对称性结构对称性结构/ /基团基团9191SERS VS SERS VS 红外光谱红外光谱 拉曼光谱的样品处理过程较简单拉曼光谱的样品处理过程较简单 水溶液水溶液的拉曼散射效应十分微弱的拉曼散射效应十分微弱 SERSSERS的高空间分辨能力的高空间分辨能力92923 3、仍存在的缺陷、仍存在的缺陷 无法用于金属无法用于金属/ /合金合金 基底基底导致的较低重现性导致的较低重现性 存在争议的原理：分子本身对电场存在影响存在争议的原理：分子本身对电场存在影响93933 3、仍存在的缺陷、仍存在的缺陷 一些材料的荧光会对其造成干扰一些材料的荧光会对其造成干扰 其中高分子的荧

50、光干扰最为明显其中高分子的荧光干扰最为明显 荧光可能覆盖整个频率范围，甚至将信号完全荧光可能覆盖整个频率范围，甚至将信号完全淹没淹没 解决办法：测定前先用解决办法：测定前先用强激光曝光强激光曝光样品几分钟样品几分钟甚至数小时，使荧光大大衰减；或者甚至数小时，使荧光大大衰减；或者改变入射改变入射光的波长光的波长以降低荧光的发光率以降低荧光的发光率94943 3、仍存在的缺陷、仍存在的缺陷 SERSSERS基底的产业化基底的产业化 不同位点的增强效应差别可达几个数量级不同位点的增强效应差别可达几个数量级 产业化的过程中实现产业化的过程中实现均匀性均匀性的高度可控的高度可控 民用手持拉曼光谱仪的普及

51、民用手持拉曼光谱仪的普及9595参考文献参考文献 1.1.陈燕坪陈燕坪. .表面增强拉曼光谱技术在肿瘤病理中的应用表面增强拉曼光谱技术在肿瘤病理中的应用J.J.激光生激光生物学报物学报,2012,21(2).,2012,21(2). 2.2.任斌任斌. .定量定量是表面增强拉曼光谱的绝对是表面增强拉曼光谱的绝对挑战挑战. . http:/ 3.3.Eric C. Le Ru, Pablo G. Etchegoin. Principles of surface enhanced raman spectroscopy and related plasmonic effectsM. Elsevier Science, 2008, 11: 185-264. 4.4.兰燕娜兰燕娜, ,周玲周玲. . 表面增强拉曼光谱表面增强拉曼光谱J. J. 南通工学院学报南通工学院学报( (自然科自然科学版学版), 2004, (02):21-23.), 2004, (02):21-23.9696THANKS