表面增强拉曼光谱

表面增强拉曼光谱SERS的发现1SERS的机理2实验特性3仪器及应用4表面增强拉曼光谱第1篇有关SERS的文章是英国的Fleishmann研究组在1974年发表的（Fleischmann,M.et.Al.,Chem.Phys.Lett.1974,26,163）。在文章中，他们报道了吸附在用电化学方法粗糙化的银电极表面的吡啶分子在不同电位下的拉曼光谱，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子的信息。表面增强拉曼光谱SurfaceEnhancedRamanScattering但Fleishmann认为这是由于电极表面的粗糙化，电极真实表面积增加而使吸附的吡啶分子的量增加引起的，而没有意识到粗糙表面对吸附分子的拉曼光谱信号的增强作用。•一直到1977年，VanDuyne和Creighton两个研究组各自独立地发现，吸附在粗糙银电极表面的每个吡啶分子的拉曼信号要比溶液中单个吡啶分子的拉曼信号大约强106倍。•他们认为这种异常高的拉曼信号的增强不能简单地归结于银电极表面粗糙化后吸附的吡啶分子数量的增加，而必然有某种物理效应在起作用。TheEarlyStudyonSurface-EnhancedRamanScattering(1)Fleischmann,M.et.Al.,J.Chem.Phys.Lett.1974,26,163.(2)Jeanmaire,D.L.;VanDuyne,R.P.J.Electroanal.Chem.1977,84,1.NRamansignalscanbeenhanced105~106!(4)Kneipp,K.et.Al.Phys.Rev.Lett.1997,78,1667.(5)Nie,S.;Emory,S.R.Science1997,275,1102.1014SingleMolecule(3)Albrecht,M.G.;Creighton,J.A.J.Am.Chem.Soc.1977,99,5215.SERS机理的分类•对于为什么一些粗糙金属表面吸附分子后，吸附分子的拉曼散射得到巨大增强这一效应，人们提出了许多不同的理论模型来解释这种现象。•由于分子的拉曼散射是分子在外电场作用下被极化而产生极化率，交变的极化率在再发射的过程中，受到分子中原子间振动的调制，从而产生拉曼散射光。散射光的增强可能是由于作用在分子上的局域电场的增加和分子极化率的改变。•P=α·E•已提出的理论模型可分为两大类：电磁增强和化学增强。•大多数的物理类模型认为SERS起源于金属表面局域电场的增强，它们之间的不同在于所提出的局域电场增强的模型不同。这类模型并不需要在金属基体和吸附分子之间有特殊的化学键，因此无法说明不同吸附分子的SERS的差异。•但它们一般能解释为什么在金、银和铜表面上有较强的SERS效应，只有在粗糙的金属表面才能观察到SERS现象，在离基体表面较远距离时也能观察到SERS增强作用，SERS增强对入射光的入射角的依赖关系等。表面等离子体共振模型在所有的物理类模型中，表面等离子体共振模型在理论和实验上都是研究的比较多的。该模型认为，当粗糙化的金属基体表面受到光照射时，金属表面的等离子体能被激发到高的能级，而与光波的电场耦合，并发生共振，使金属表面的电场增强，产生增强的拉曼散射。这个模型能较好地解释为什么只有在红光下才能观察到金和铜表面的SERS、表面粗糙化的作用等。但在假设粗糙化金属基体表面粒子是半球形或椭圆形时，理论计算表明其SERS增强因子一般不超过104。•活位模型：此模型认为，不是所有吸附在基体表面的分子都能产生SERS信号，只有吸附在基体表面某些被称为活位上的分子才有强的SERS效应。用电化学方法粗糙化的银电极表面，用欠电位法沉积上覆盖度为3％的Tl后，吸附分子的SERS信号消失。该结果证明了能产生SERS的活位只占基体表面很小的一部分面积。•电荷转移模型众所周知，当一过渡金属离子与配位体形成络合物时，会产生新的吸收峰。与此相似，当一分子吸附到金属基体表面时，也能产生新的激发态，形成新的吸收峰。当波长合适的激发光照射到金属表面时，电子可从金属的费米能级附近共振跃迁到吸附分子上或从吸附分子共振跃迁到金属上，从而改变了分子的有效极化率，产生了SERS效应。这一模型被称为电荷转移模型。化学增强机理的模型SERS光谱的实验特性1.SERS效应具有很大的增强因子2.只有在少数基体表面上能观察到SERS效应3.金属基体表面粗糙化是产生增强效应的必要条件4.许多分子能产生SERS效应5.与普通拉曼光谱相比，SERS光谱中的大多数谱带的频率变化较小，表明吸附对分子振动能量的影响是较小的，即被吸附分子与基体表面之间的键是较弱的6.观察不到SERS的倍频谱带7.SERS谱带要宽于普通拉曼谱带8.SERS强度随分子离金属基体表面距离的增加而迅速降低。Figure1FT-RamanBRUKERRFS100Figure2共聚焦显微拉曼光谱仪RENISHAWSYS1000Figure3Renishaw1000model共聚焦光谱测量光路图1、样品平台2、物镜3、显微镜4、全息陷波滤波器5、镜头6、狭缝7、双反射光栅8、紫外、可见增强型CCD9、激光器10、衰减器共聚焦拉曼光谱仪的特点:1.灵敏度高2.快速分析，鉴别各种材料的特性与结构3.微量样品分析，样品可小于2微米4.对样品无接触，无损伤，样品无需制备5.适合黑色和含水样品6.高、低温及高压测量7.光谱成像快速、简便，分辨率高8.仪器稳固，体积适中，维护成本低，使用简单。应用物质结构1检测2分子识别3SERS光纤传感器4谢谢