【赛纳斯】表面增强拉曼/红外光谱技术的进展与突破

拉曼光谱和红外光谱是 最 重 要 的分析化学方法之一，可提供待测体系的化学键等关键结构信息。然而，它们应用于材料和生物体系的表面化学分析时，常面临着灵敏度偏低的瓶颈。四十余年来，人们持续致力于突破该瓶颈，推动相关技术的应用和产业化。

近日，厦门大学田中群教授课题组回顾了拉曼和红外光谱技术的发展历程，系统性论述了表面增强拉曼散射光谱和表面增强红外吸收光谱的三种物理机制：等离激元效应、避雷针效应和耦合效应。从拉曼和红外光谱的基本原理和实际案例出发，提出了进一步提高拉曼和红外光谱的表面检测灵敏度的策略，即宏观光学系统与微纳光学衬底之间多尺度耦合，最 后讨论了将宏观光学-微纳衬底间的高效耦合拓展到亚纳米分子尺度的可能性，展望了更多种形式的多尺度光耦合策略。

图1 SERS和SEIRA光谱灵敏度提高的策略与实践：从微纳结构衬底设计到光学设计。

拉曼光谱和红外光谱技术的里程碑式进展如图2所示，时间轴上、下分别为拉曼光谱和红外光谱技术。从发展历程可见：（1）1800-1974年主要集中在基本测试仪器和方法，从无到有地建立拉曼和红外及其衍生光谱技术；（2）1974-2010年则在已有测量仪器基础上，从无到有建立起表面增强拉曼和表面增强红外光谱方法；（3）1997年至今的表面增强拉曼和表面增强红外光谱逐渐提升为单分子水平。由此可见拉曼和红外光谱技术的灵敏度在不断提升，而其蕴含的发展驱动力是由痕量甚至是单分子水平待测样品的实际需求所诱发的。如何提升拉曼和红外光谱的检测灵敏度，是具有 重 大 挑战性的科学问题和技术难题。

图2 拉曼光谱、红外光谱、及其衍生技术的的里程碑式进展节点，时间轴上、下部分别为拉曼和红外光谱技术。

表面增强拉曼光谱（SERS）和表面增强红外吸收光谱（SEIRA）主要基于电磁场增强机制。SERS和SEIRA电磁场理论的核心在于借助光和金、银等纳米结构的相互作用，增强纳米结构表面狭小区域内的光电场（也称近场）。该狭小区域也称为“热点”。处于热点中的待测分子的光散射和光吸收截面都被增强，如图3所示。

图3 SERS和SEIRA的电磁场增强原理。a是分子的Raman散射及拉曼光谱。b是吸附于金属纳米球表面分子的SERS的两步增强机理。c是SERS光谱的数据处理。d是分子的红外吸收及红外光谱。e是吸附于金属纳米棒表面分子的SEIRA的一步增强机理。f是SEIRA谱的数据处理。

热点内的局域电场的强度与分子的光吸收/散射效率直接相关。提高SERS和SEIRA增强衬底表面热点内局域电场强度是SERS和SEIRA技术发展的关键难题。SERS和SEIRA增强衬底可划分为非耦合型增强衬底和耦合型增强衬底两大类。非耦合型增强衬底，如单个纳米粒子、金属膜以及非金属表面的金属探针等，通常只支持局域表面等离激元、传播表面等离激元和避雷针效应中的一种机制。非耦合增强衬底的局域场增强因子较小，通常小于5个数量级，是研究局域场耦合的模型结构。耦合型增强衬底，特别是具有纳米间隙或者纳米尖端结构的增强衬底，分子拉曼散射和红外吸收信号会得到显著增强，检测灵敏度可达单分子水平。典型的耦合型增强衬底结构有纳米颗粒-纳米颗粒二聚体（dimer）、寡聚体结构（oligomer）、阵列结构（array）、蝴蝶结（bow-tie）结构，和金（或银）扫描探针-金（或银）衬底耦合结构等，如图4所示。

图4 SERS和SEIRA典型结构。a-f为SERS衬底结构，g-i为SEIRA衬底结构。其中a和g为局域表面等离激元纳米结构，c和i为传播型表面等离激元纳米结构，e为支持避雷针效应的针尖纳米结构。b、d、f、h和i为不同形式的等离激元耦合纳米结构衬底。

除了提高衬底的局域电场强度，SERS衬底在应用中还存在衬底普适性低和信号重现性不足的难题。壳层隔绝纳米颗粒增强拉曼光谱（SHINERS）是克服这一难题的强有力的创新方法，在材料表面化学分析中已发挥出独特的技术优势和巨大的实际应用效能。SHINERS技术的关键是制备超薄介质壳层包覆的金（或银）核的核壳结构纳米颗粒，其中壳层材质如SiO₂、Al₂O₃等具有绝缘性和化学惰性，既避免了分子吸附于金（或银）核表面产生干扰信号，又减小了纳米颗粒和待测衬底发生烧融的概率，提升了体系稳定性。借助SHINERS中金（或银）核与待测金属材料衬底的耦合作用，金属衬底上吸附分子的拉曼信号得到显著放大，例如，实现了对不同晶面Au、Pt等金属单晶上痕量电催化中间产物的识别，为揭示相关电催化反应的路径和机制提供了关键证据（图5）。

图5 用于表面分析的SHINERS技术。a 衬底表面的SHINERS粒子示意图。b 吸附在Au(111)、Au(100)和Au(110)表面的吡啶分子的SHINERS光谱。c SHINERS实验示意图。电磁场强度由颜色代表，红色（强）和蓝色（弱）。d SHINERS粒子的TEM成像和Pt衬底表面的3D-FDTD模拟。e 在氧气饱和的0.1 M HClO4中的ORR过程三个旋转环盘Pt单晶电极上的极化曲线。转速为1600转/分，扫描速率50 mV/s。坐标轴j和E分别代表电流密度和电极势。f 变电位条件下Pt(111)电极表面的ORR测试的EC-SHINERS光谱。

类似壳层隔绝技术的核-壳结构构筑策略也适用于SEIRA技术。由金壳层和介质内核构筑的阵列SEIRA增强衬底不仅在近红外区有等离激元响应，在中红外区也显示出宽光谱共振响应。如图6所示，位于近红外区域的等离激元响应源自于单个纳米壳结构的多极等离激元共振，而位于中红外区域的宽谱响应带则源自多粒子结构的偶极共振耦合。耦合纳米结构是提高SERS和SEIRA衬底表面增强性能的有效方式，通过耦合效应可将衬底拓展为SERS和SEIRA同时响应的衬底。

图6 多个纳米粒子耦合同时用于SERS和SEIRA

虽然基于上述耦合纳米结构的SERS和SEIRA增强衬底可有效提高拉曼和红外光谱的检测灵敏度，要实现超高灵敏的SERS和SEIRA测量尚有一定难度。成功的研究报道往往集中于拉曼散射或红外吸收截面较大的少数分子体系，其增强衬底结构在实际应用中尚面临一些困难。特别是如何使应用面最广的SERS或SEIRA衬底，如单个SHINERS粒子、TERS探针、单根SEIRA棒和nanoIR探针，也具备超高检测灵敏度，即使面对散射或吸收截面较小的分子仍可获得有效的检测信号。这一问题仍充满挑战。因此，进一步针对特定的微纳衬底而优化设计的宏观光学系统的研究成为迈上更高灵敏度这一新台阶的关键。

SERS信号与多重因素有关，其强度具体可用下式表示：

我们可以参考SERS的强度公式将SEIRA的强度表示如下：

G_SERS和G_SEIRA分别表示衬底通过等离激元和避雷针效应造成的局域场增强。上述公式清楚表明，SERS和SEIRA的强度不仅与微纳衬底的增强因子有关，也与仪器的参数，如光耦合效率Ω、检测器效率Q、色散系统的通量T_m和光学系统的透过率T₀直接相关。虽然在Raman和IR发展的历程中，针对光学系统的研究从未停止，但聚焦在光学系统和微纳衬底之间的耦合效率的研究还很少。耦合效率Ω可进一步展开为

其中Ω_e表示激发光的空间角集中程度、S_exci表示微纳衬底的定向激发性质、M_e-e则表示激发光和衬底之间的匹配程度。Ω_c表示收集系统的定向收集能力、S_scat表示微纳衬底的定向辐射属性、M_c-s则表示Ω_c和S_scat之间的匹配程度。上述三个公式清晰地描述了宏观光学系统和微纳衬底之间匹配程度对获得超灵敏SERS和SEIRA光谱的重要意义。

图7为SERS和SEIRA中传统的耦合光学设计，和考虑衬底与光学系统匹配后的耦合光学设计。与传统方式相比，后者可在微纳衬底表面激发出更强的热点，获得更灵敏的SERS和SEIRA检测效果。

图7 SERS和SEIRA中的光学设计。a 传统的激发和收集光锥。b 抛物面反射式聚焦镜。c 折射式物镜。d 反射式物镜。e SERS和SEIRA中精细设计的激发和收集空心光锥。f 基于棱镜和波导结构的激发光学。g 基于棱镜的折射式空心光锥透镜。h 基于棱镜的反射式空心光锥物镜。

角度激发。通过ATR棱镜定向激发SERS和SEIRA衬底获得更高检测灵敏度是最常见的设计宏观光学增强微纳光学衬底的例子。如图8中所示，在二氧化硅半球柱面镜上蒸镀一层Ag膜，扫描激发光角度，在很窄的角度范围内可观察到表面等离激元效应。在该角度下收集纳米粒子构成的SERS衬底的拉曼散射信号，其光谱增强性能与金属膜表面相比可提高2-3个数量级。而在SEIRA中， ZnSe半球柱面镜表面的金岛状膜衬底的SEIRA增强性能也强烈依赖激发光的入射角度。70°下激发获得的SEIRA强度比20°时高6倍。更多的基于波导结构激发SERS和SEIRA的研究也证明了将激发光能量集中在某一窄角度范围内，可进一步提高衬底的SERS和SEIRA性能。

图8 基于ATR棱镜结构定向激发SERS和SEIRA。a-c 在SERS中通过半球柱面镜激发金属膜表面SPR，进而激发单粒子SERS。d-f 在SEIRA中通过半球柱面镜激发金岛膜SEIRA。

定向辐射收集。定向辐射收集主要体现在SERS衬底表面。SERS衬底作为天线，它接收远场光并在近场区域产生电磁场“热点”，从而激发“热点”内的分子。分子辐射的拉曼信号再次激发SERS衬底并辐射至远场。研究表明远场辐射的SERS信号表现出强烈的定向辐射属性。如图9所示，二聚体和三聚体的SERS远场辐射信号集中在很窄的空间角度范围内，而该空间角度甚至超过了显微物镜的收集角度范围，导致大量信号无法被测量。该实验结果证明宏观光学系统设计在提高SERS信号收集效率方面是非常必要的。

图9 二聚体和三聚体表面SERS信号的远场辐射特征

兼顾角度激发和定向辐射收集的光学设计。角度激发可提高SERS与SEIRA的激发效率，定向辐射收集可提高SERS的收集效率。2017年报道的一种消色差的固体浸没透镜结构做到了两者兼顾。如图10所示，通过该物镜结构，激发光能量可集中在很窄的角度范围内，有效提高激发光与SPR效应之间的能量耦合效率，因此在SPR角度附近SERS信号才最强。同时该物镜的数值孔径高达1.65，可有效收集远场辐射的SERS信号。该物镜不仅支持Kretschmann结构，也支持Otto结构，数值分析结果表明在不同衬底材料表面散射的SERS信号均具有定向辐射特征，与一般的线性偏振相比，热点的局域场增强更高。

图10 基于消色差固体浸没透镜光学设计兼顾角度激发和定向辐射。a-d KR-SPR-SERS结构光学设计及其角度激发和定向辐射性能的表征。e-j Otto-SPR-SERS结构光学设计及其角度激发和定向辐射性能的表征。

光纤高效激发和收集耦合TERS。另一种兼顾激发和收集效率的设计是光纤耦合结构的TERS装置。在该装置结构中，银纳米线TERS探针组装在锥状光纤表面。线偏振激发光在光纤中传播的波导模式会在不同的空间位置与银纳米线探针的两个SPP模式TM0和HE1耦合。通过光纤角度和长度的优化设计，提高远场光与TM0模式的能量耦合效率，优化后的远、近场的耦合效率可达70%。考虑到TERS的两步耦合过程，总体的远、近场光耦合效率可达50%，即使在最简单的TERS装置上也可实现碳纳米管表面1 nm空间分辨率的化学光谱采集。

图11 a 波导模式LP₀₁和银纳米线探针的TM₀和HE₁模式之间的耦合示意图。b 通过TM₀模式的近场和远场耦合。c TERS探针和光纤的SEM图。d 碳纳米管样品的形貌。e 沿着d中白色虚线的TERS强度分布。f d中虚线上A、B和C位置处的TERS光谱。

光学设计拓展nanoIR和TERS的适用环境。近几年先后报道的液体环境纳米红外光谱技术均通过底部ATR光学结构激发实现。电化学TERS技术的一大难题是TERS的激发和收集光路路径上光传播介质发生了变化，造成常规TERS测量技术的不直接适用。如何在有限的空间内实现TERS光路与电化学池的有效光学耦合是一个关键的技术问题。如图12所示，在该设计中，电化学池被改造成由透明窗片、倾斜样品区以及电化学功能模块构成的结构。这一结构有效抑制了光路畸变对TERS测量的影响，由此成功获得了电化学反应前后的少量反应物和产物的TERS光谱。

图12 电化学TERS技术。a 在电化学池中增加光学窗片，并减小与激发和收集物镜的距离实现的电化学TERS装置结构。b-c 溶液中TERS探针的局域电场分布。d 电化学反应过程中不同位置的TERS光谱。e 反应物和产物的空间分布。f 不同样品偏压下的产物。

SERS和SEIRA分别显著提升了拉曼光谱和红外光谱的检测灵敏度，近二十年来，随着微纳光学技术的逐步发展，高性能的增强衬底不断问世。尽管目前对宏观光学系统与微纳衬底之间多尺度耦合效率的研究还较少，在可预见的将来，该问题终将被解决，这将使得应用面最广的球形纳米颗粒的光谱增强性能也有机会进一步实现数量级的提升。

除了兼顾宏观和微纳光学的耦合设计，近年来基于原子尺度的避雷针效应与等离激元结合也实现了一系列的突破，如利用TERS技术实现了单分子、甚至单个化学键的成像。然而，可检测的分子体系仍限制于少量的分子种类。这就要求在提高宏观光学到微纳光学的耦合效率的同时，也要提高从微纳光学到原子尺度光学的能量耦合效率。这一问题的解决将不仅对TERS，对Nano IR的发展也不至关重要。

在实际应用中，SERS和SEIRA的环境普适性也是一个重要的指标。特别是在TERS和NanoIR技术中，发展适配如能源化学中的多相界面体系或生命科学中的液相环境体系等具体应用场景的光学结构设计将具有重大应用意义。

本文 第 一 作者为厦门大学的王海龙博士，共同通讯作者为田中群教授和王海龙博士。合作者包括尤恩铭博士、丁松园教授和印度SRM University- AP的Rajapandiyan Panneerselvam博士。