1、表面拉曼增强光谱（表面拉曼增强光谱（SERSSERS）技术）技术2014.3.242014.3.24主要内容主要内容 2. 研究热点研究热点 1. 基本原理基本原理 3. 自己工作自己工作1.1 Raman与与SERS1.2 仪器与测试方法仪器与测试方法1. 1. 基本原理基本原理1928 年，印度科学家C.V Raman in首先在CCL4光谱中发现了当光与分子相互作用后，一部分光的波长会发生改变（颜色发生变化），通过对于这些颜色发生变化的散射光的研究，可以得到分子结构的信息，因此这种效应命名为Raman效应。Provided by Prof. D. Mukherjee, Director
2、of Indian Association for the Cultivation of Science laser scatter laser瑞利散射瑞利散射 scatter= laser拉曼散射拉曼散射弹性散射：弹性散射：频率不发生改变，如瑞利散射频率不发生改变，如瑞利散射非弹性散射：非弹性散射：频率发生改变，如拉曼散射频率发生改变，如拉曼散射 scatter laser拉曼散射拉曼散射能级示意图虚态虚态电子基态电子基态电子激发态电子激发态瑞利散射瑞利散射hvhv0 0hvhv0 0斯托克斯散射斯托克斯散射h(vh(v0 0-v)-v)hvhv0 0反斯托克斯散射反斯托克斯散射h(vh(v
3、0 0v)v)hvhv0 0hvhv1 1hvhv2 2荧光荧光能量差能量差发射光发射光子能量子能量72130 cm-1 n as, C-N 190 cm-1 nas, Ag-N n s, Ag-Ag2022-5-1082153 cm-1 n as, C-N 196 cm-1 n as, S-Ag r i.p. S-C-N1.1 Raman与与SERS1928 年，C.V RamanCCl4光谱1974年 Fleischmann 等人粗糙化银电极吡啶分子1977年，Van Duyne和Creighton粗糙表面相关的表面增强效应表面增强拉曼光谱（SERS）的特点 信息量大信息量大 灵敏度高灵敏
4、度高 操作简便操作简便谱图包含大量的化学信息，可反映结构信息，化学组成和环境信息谱图包含大量的化学信息，可反映结构信息，化学组成和环境信息通过增强吸附和形成热点可实现痕量组分分析甚至单分子检测通过增强吸附和形成热点可实现痕量组分分析甚至单分子检测无需复杂前处理，可直接原位监测，测试方便快捷无需复杂前处理，可直接原位监测，测试方便快捷1.1 Raman与与SERS 表面等离子体激元共振( Surface Plasmon resonance, SPR)引起的局域电磁场增强 由于Cu, Ag和Au 3种币族金属的d电子和s电子的能隙和过渡金属相比较大, 使得它们不易发生带间跃迁。只要对这3种金属体系
5、选择合适的激发光波长, 便可避免因发生带间跃迁而将吸收光的能量转化为热等, 从而趋向于实现高效SPR散射过程。 避雷针效应 由于尖端效应，相对电荷密度高电磁增强（电磁增强（EM enhancement）1.1 Raman与与SERS106-1010 倍 SERS效应的主要来源1.1 Raman与与SERS电磁增强（电磁增强（EM enhancement）影响因素）影响因素材料种类粒子形貌相对位置Thomas, R. and R. Swathi (2012). The Journal of Physical Chemistry C 116(41): 21982-21991.Fig Illustr
6、ation of three types of chemical enhancement mechanism s in comparison with free pyridine( Py) ( A) , chemical-bonding( CB) enhancement( B) , surface complexes( SC) enhancement( C) ,and photon-induced charge-transfer( PICT) enhancement (D)化学增强（化学增强（CM enhancement）1.1 Raman与与SERS10-102 倍 SERS效应当分子化学吸
7、附于基底表面时, 表面、表面吸附原子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，即对体系极化率的变化影响其Raman强度。 化学增强主要包括以下3类机理：由于吸附物和金属基底的化学成键导致非共振增强；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；激发光对分子-金属体系的光诱导电荷转移的类共振增强。化学增强（化学增强（CM enhancement）1.1 Raman与与SERS1.1 Raman与与SERS化学增强（化学增强（CM enhancement）影响因素）影响因素目标分子与探针的作用能级匹配激光波长，能量吸光性能
8、与波长选择杂原子，特殊官能团；石墨烯电荷转移，光吸收，光漂白共振增强，荧光物理增强（强） LSPR: 入射光频率与自由电子的振荡频率一致 选择性共振吸收；局部场大幅增强化学增强（弱）电荷转移；共振增强 荧光：Raman散射截面积10-30-10-25 cm2/分子，比荧光低10-15。而荧光常伴随Raman信号一起出现 化学增强弱，但是引发荧光会产生很强的干扰，掩盖Raman信号 选择基底及激光时，一方面调节贵金属吸收，同时根据目标分子结构进行调整，两者缺一不可 选择激发波长避开荧光干扰532633785Wavelength (nm)n532 nm lasern633 nm lasern785
9、 nm laser 激光器激光器样品样品瑞利滤光片瑞利滤光片共聚焦针孔共聚焦针孔光栅光栅CCD干涉滤光片干涉滤光片狭缝狭缝功率衰减片功率衰减片显微镜显微镜蓝：偏振片蓝：偏振片拉曼光谱仪原理图拉曼光谱仪原理图共焦针孔共焦针孔物镜共聚焦原理位于焦点处的信号恰好位于焦点处的信号恰好汇聚在共聚焦针孔处，汇聚在共聚焦针孔处，全部通过共聚焦针孔。全部通过共聚焦针孔。位于焦点之外的信号汇位于焦点之外的信号汇聚在共聚焦针孔以外，聚在共聚焦针孔以外，只有极少部分可以通过只有极少部分可以通过共聚焦孔。共聚焦孔。Raman signal emitted from out of focus regionsConfoc
10、al pinholeMultilayer sampleTo the spectrometer共焦拉曼的优势共焦拉曼的优势: : 极大的提高了纵向分辨率 (2 m) 得到更好的横向分辨率 (1m) 有效地减少荧光干扰共聚焦原理（真正针孔共焦）共聚焦原理（真正针孔共焦）Laser focus waist diameter1.2 仪器与测试方法仪器与测试方法Thermo Scientific DXR Raman Microscope激光光源激光光源滤光片滤光片光栅光栅控制系统控制系统载物台载物台显微系统显微系统Raman等离子体共振效应等离子体共振效应SERS表面增强拉曼光谱（表面增强拉曼光谱（SE
11、RS）应用）应用激光光源激光光源空气污染物监测Nature Communications, 2013, 4, 1636 环境毒物监测Nature Letters, 2010, 464, 392 反应机理研究Nano Letters, 2013, 13, 5985 吸附模型研究JPCC, 2013, 117, 22834 Anal. Chem, 2013, 85, 2223 生化测定及成像研究成分鉴别成分鉴别-鉴定不同材料鉴定不同材料在纤维材料中通常使用的材料的拉曼光谱在纤维材料中通常使用的材料的拉曼光谱1000080006000400020000500100015002000250030003
12、500Nylon6 尼龙Kevlar 合成纤维Pstyrene 聚苯乙烯PETPaper 纸纤维Ppropylene丙烯PE/EVA聚乙烯欧莱雅产品在头发中的穿透深度化妆品化妆品2.1 基底制备基底制备2.2 实际应用实际应用2. 研究热点研究热点2.1.1 基底制备基底制备-零维基底零维基底不同形貌：球形，立方体，纳米片，三角锥不同大小：几十到几百纳米不同组成：单金属，多金属，半导体贵金属布朗运动：信号不稳定不规则团聚：信号不均匀不足不足大小结构：减弱运动固定化：信号均匀解决方案解决方案2.1.2 基底制备基底制备-一维基底一维基底纳米线，纳米棒，纳米排列特点：局部hot spot, 高的E
13、F 制备困难，均匀性有限Journal of the American Chemical Society. Just Accepted2.1.3 基底制备基底制备-二维基底二维基底气相沉积，平版印刷，刻蚀 top-down纳米组装（Langmuir-Blodgett) bottom-up信号均匀，易于规模化但一般要特殊的设备CxNy平面结构作为二维模板特殊结构增强EM和CMPhysical Chemistry Chemical Physics 16(6): 2224-2239.Phys. Chem. Chem. Phys.,2013,15, 5288-53002.1.4 基底制备基底制备-三维
14、基底三维基底Advanced Functional Materials 22(1): 218-224.ACS applied materials & interfaces. Just accepted.有效体积三维热点利于吸附 Fabricated using equipment and reagents commonly found in chemistry laboratories. Minimal training or experience required for fabrication. Easily transported to or fabricated at the poin
15、t of sampling. Easily integrated into analytical systems. -Betz, J. F., et al. (2014). Simple SERS substrates: powerful, portable, and full of potential. Physical Chemistry Chemical Physics 16(6): 2224-2239.基底制备四原则基底制备四原则2.2 发展方向发展方向-实际应用实际应用2.2.1 快速检测快速检测 痕量分析痕量分析2.2.2 免疫识别免疫识别2.2.3 理化指标检测理化指标检测2.2
16、.4 生物成像生物成像 临床诊断临床诊断2.2.1 快速检测快速检测 痕量分析痕量分析Adv. Mater. 2013, 25, 35543559ACS Nano, 2009, 3, 23292339.2.2.2 免疫识别免疫识别Nano Lett., 2007,7, 28192823.2.2.3 理化指标检测理化指标检测温度，离子强度，温度，离子强度，pHpH等等Nat. Biotechnol., 2008, 26, 8390.2.2.4 生物成像生物成像 临床诊断临床诊断特殊组织，细胞，癌细胞成像药物释放监测，药理研究 实验结合计算进行理论研究 高效基底制备 联用技术（HPLC-SERS,
17、 TLC-SERS） 简便测试方法（便携式拉曼，在线监测) 实际应用（环境污染物，食品添加剂） 生物成像热点及发展趋势我们的方向简单的方法制备高效基底应用于环境污染物或食品添加剂的检测揭示其化学本质 反馈反馈Related work in our labu Dependence of electronic structure of g-C3N4 on the layer number of its nanosheets: A study by Raman spectroscopy coupled with first-principles calculationsu Novel One-pot
18、 Fabrication of Lab-on-a-BubbleAg Substrate without Coupling-agent for Surface Enhanced Raman Scatteringu Micro/nano-structured graphitic carbon nitride-Ag nanoparticle hybrids as new SERS substratesu Three-Dimensional Plasmonic Hydrogel Architecture: Facile Synthesis and Its Macro Scale Effective S
19、paceu A surface-enhanced Raman scattering method for detection of trace glutathione on the basis of immobilized silver nanoparticles and crystal violet probeDependence of electronic structure of g-C3N4 on the layer number of its nanosheets: A study by Raman spectroscopy coupled with first-principles
20、 calculationsJizhou Jiang, Lei Ou-yang, Lihua Zhu, Anmin Zheng, Jing Zou, Xianfeng Yi， Heqing Tang, Carbon, 2014,80, 213221.Figure S3 Schematic illustration of concentrated-H2SO4 intercalation-exfoliation process from coplanar bulk g-h-heptazine-C3N4 to ultrathin layers.制备不同层数的氮化碳制备不同层数的氮化碳 42520 oC
21、, 4 h, air+三聚氰胺三聚氰胺多层氮化碳多层氮化碳 (g-C3N4)剥离剥离1、2、4层氮化碳层氮化碳 4420001600120080040004008001200160020002400Bulk125054347970575114811555 Raman Intensity / cpsWavenumber / cm-1123416161 layer 单层和多层的单层和多层的Raman图谱区别图谱区别 两组峰的比值随层数的变化规律两组峰的比值随层数的变化规律峰位移与层数的变化规律峰位移与层数的变化规律Novel One-pot Fabrication of Lab-on-a-Bubb
22、leAg Substrate without Coupling-agent for Surface Enhanced Raman ScatteringJizhou Jiang, Lei Ou-Yang, Lihua Zhu, Jing Zou, Heqing Tang. Scientific reports, 2014 (4). 3942静电吸附静电吸附原位还原原位还原a 2.510-6 mol L-1 CVb 粉末 CVc SiO2Ag+2.510-6mol L-1 CV灵敏度灵敏度结晶紫（结晶紫（CV）增强因子增强因子SERS 增强因子增强因子= 6.9 108批次重现性批次重现性 RSD
23、=9.6%基底稳定性基底稳定性 RSD=6.2%重现性及稳定性重现性及稳定性线性及检出限线性及检出限线性范围线性范围2.510-8-2.510-6 mol L-1检出限检出限 2.510-10 mol L-1Submitted to Journal of Material Chemistry AMicro/nano-structured graphitic carbon nitride-Ag nanoparticle hybrids as new SERS substratesThree-Dimensional Plasmonic Hydrogel Architecture: Facile S
24、ynthesis and Its Macro Scale Effective SpaceSubmitted to RSC AdvancesScheme 1 Preparation procedure of PVA-Ag hydrogel 3D substrate by an in situ reduction strategy.Figure S4 Homogeneity and reproducibility of 15%PVA-1Ag. (a) SERS intensity distribution map of 15%PVA-1Ag slice with a thickness of 10
25、0 m and (b) 200m (c) The SERS spectra of 2.510-6 mol L-1CV obtained at 10 spots randomly chosen from 15%PVA-1Ag. (d) SERS intensity at the 1620 cm-1 peak with 5 batches of 2.510-6 mol L-1CV captured 15%PVA-1Ag.Figure 2. Raman mapping images of 2.510-6 mol L-1 CV-captured 15%PVA-xAg using the intensi
26、ty of the 1620 cm-1 band. a white light image of the sample areaReproducibilityGood homogeneity across the entire substrate area;Good reproducibility with different batches.Figure 3. Raman depth-scanning image of 2.510-6 mol L-1 CV-captured 15%PVA-xAg using the intensity of the 1620 cm-1 band. a 15%
27、PVA-1Ag b 15%PVA-1.5Ag; c 15%PVA-2Ag; d 15%PVA-3Ag; e 15%PVA-5Ag; f Active depth of 15%PVA-xAg with different Ag+ concentration, respectively.Active depth 15%PVA-1Ag 80 m;15%PVA-1.5Ag 120 m;15%PVA-2Ag 170 m; 15%PVA-3Ag 110 m; 15%PVA-5Ag 70 m.spatial distribution of Raman intensity Figure 4. SERS int
28、ensity of 2.510-6 mol L-1 CV captured by 15%PVA-xAg with different slice thicknesses at the 1620 cm-1 band. Black dots represent 15%PVA-1Ag and red dots represent 15%PVA-2Ag.Active depth by slice0501001502000510 15% PVA-1Ag 15% PVA-2AgRaman Intensity / 103cpsThickness / m Fig. 8. (a) SERS spectra of
29、 CV captured substrates. CV and 4-ATP concentration on PVA-2Ag hydrogel substrate.Fig 9 Detection of 4-MBA using a portable Raman instrumentTrace detectionA surface-enhanced Raman scattering method for detection of trace glutathione on the basis of immobilized silver nanoparticles and crystal violet probe竞争吸附竞争吸附 褪色效应褪色效应 间接测定间接测定非蛋白质硫源非蛋白质硫源氧化还原缓冲物质氧化还原缓冲物质低极化率低极化率与与Ag有强相互作用有强相互作用谷胱甘肽（谷胱甘肽（GSH）a 1ppmCV,b Fe3O4Ag+1ppm CV c b +10mol L-1 GSH. 线性范围线性范围510-8710-7 mol L-1 检出限检出限 410-8 mol L-1线性及检出限 批次重现性批次重现性 RSD=7.1%重现性好重现性好可控制备可控制备方法稳定方法稳定重现性重现性
