表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件

表面增強(qiáng)拉曼光譜

分析原理及應(yīng)用表面增強(qiáng)拉曼光譜

分析原理及應(yīng)用一、引言二、拉曼光譜基本理論三、拉曼光譜儀器介紹四、表面增強(qiáng)拉曼光譜概述五、表面增強(qiáng)拉曼光譜的應(yīng)用六、前景展望表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件一、引言用單色光照射透明介質(zhì)（氣體、液體或固體）時(shí)，絕大部分的光沿著入射光的方向透過，在透射和反射方向以外會(huì)出現(xiàn)光的散射現(xiàn)象。當(dāng)激發(fā)光的光子與作為散射中心的光子相互作用時(shí)，大部分光子只是改變方向發(fā)生散射，而光的頻率與激發(fā)光的頻率相同，這種散射稱為Rayleigh散射。約占光散射強(qiáng)度的10-6~10-9的散射，不僅改變光的傳播方向，而且散射光的頻率不同于激發(fā)光的頻率，這種散射稱為Raman散射。一、引言用單色光照射透明介質(zhì)（氣體、液體或固體）時(shí)，絕光散射的過程：激光入射到樣品，產(chǎn)生散射光。

散射光彈性散射（頻率不改變-瑞利散射）非彈性散射（頻率改變-拉曼散射）光散射的過程：激光入射到樣品，產(chǎn)生散射光。散射光彈性散射（頻表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件2、拉曼光譜基本理論2.1

拉曼光譜歷史淵源1923年德國(guó)的Smeka理論上預(yù)言了光的非彈性散射。1926年印度物理學(xué)家Raman在論文中開始并沒有肯定這種散射是非彈性的,以后的許多次實(shí)驗(yàn)最終證明了這種散射的非彈性,他將這種效應(yīng)稱為“一種新輻射”。1928年,Raman和Kishnan首先在液體苯中觀察到了這種散射效應(yīng)。此后不久,俄國(guó)物理學(xué)家Lardsberg和MandelStam在石英中也發(fā)現(xiàn)了同樣的光散射現(xiàn)象,他們稱之為“聯(lián)合散射光譜”。2、拉曼光譜基本理論2.1拉曼光譜歷史淵源1928年，Cabanues和Rocard在巴黎也證實(shí)了Raman的觀察結(jié)果,Pringsheim撰文總結(jié)并指出Raman發(fā)現(xiàn)的是一種全新的現(xiàn)象,并建議稱之為Raman效應(yīng),1930年42歲的Raman為此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),這是亞洲人獲得的第一個(gè)諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)。1928年，Cabanues和Rocard在巴黎也證實(shí)了Ra2.2拉曼光譜基本原理

拉曼光譜是單色光束入射光的光子與分子發(fā)生非彈性散射的結(jié)果。在非彈性碰撞過程中，光子與分子之間發(fā)生能量交換，光子不僅改變運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)光子的一部分能量傳遞給分子，或分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量傳遞給光子，從而改變了光子的頻率，這種散射過程稱為拉曼散射。2.2拉曼光譜基本原理拉曼光譜是單色光束入射光的光子與2.3拉曼光譜量子理論瑞利散射：彈性碰撞，無能量交換，僅改變方向。拉曼散射：非彈性碰撞；方向改變，且有能量交換。2.3拉曼光譜量子理論瑞利散射：拉曼散射的兩種能量差拉曼散射的兩種能量差A(yù)、ΔE=h(v0–Δv）產(chǎn)生stokes線：強(qiáng)；基態(tài)分子多B、ΔE=h(v0＋

Δv)產(chǎn)生反stokes線：弱

Stokes與反Stokes線的頻率與入射光頻率之差Δv稱為Raman位移。同一種物質(zhì)分子，隨著入射光頻率的改變，Raman線的頻率也改變，但位移Δv始終保持不變，故Raman位移與入射光頻率無關(guān)。A、ΔE=h(v0–Δv）

RayleighStokesAnti-StokesResonanceRamanFluorescenceRayleighStokesAnti-ResonanceFl拉曼光譜研究分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式的機(jī)理與紅外光譜的異同點(diǎn)？

相同點(diǎn)：同屬于分子光譜。兩者都是研究分子振動(dòng)的重要手段。不同點(diǎn)：一些同核原子對(duì)稱結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)(如：-C=C-、-N=N-、-S-S-等)在紅外光譜儀較難檢測(cè)的信息，在拉曼光譜儀上卻有較強(qiáng)的反映；而在紅外光譜中有很強(qiáng)吸收峰的不均衡對(duì)稱的官能團(tuán)，在拉曼光譜卻表現(xiàn)很弱。拉曼光譜研究分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式的機(jī)理與紅外光譜的異同點(diǎn)？3、拉曼光譜儀器激光Raman光譜儀激光光源：A、He-Ne激光器，波長(zhǎng)632.8nmB、Ar激光器波長(zhǎng)514.5nm

488.0nm3、拉曼光譜儀器激光Raman光譜儀傅里葉變換-Raman光譜儀光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（λ=1064nm）傅里葉變換-Raman光譜儀3.1儀器結(jié)構(gòu)1、激光光源

根據(jù)所用的材料不同大致可把激光器分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和燃料激光器等四大類。氣體激光器的類型最多，在拉曼光譜儀中的應(yīng)用也最廣泛。它包括原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器以及準(zhǔn)分子激光器。固體激光器主要有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石（YAG）激光器、摻釹的玻璃激光器等。這類激光器的特點(diǎn)是輸出功率高，并且體積小又很堅(jiān)固。其YAG激光器是一種比較有用的固體激光器，其激光波長(zhǎng)為1064nm。半導(dǎo)體激光器在所有的激光器中是效率最高、體積最小的一種激光器。3.1儀器結(jié)構(gòu)1、激光光源2、外光路系統(tǒng)

外光路系統(tǒng)一般是指在激光器之后、單色器之前的光學(xué)系統(tǒng)，它的作用是為了有效地收集拉曼散射光。在外光路系統(tǒng)中，激光器輸出的激光首先經(jīng)過光柵，以消除激光中可能混有的其它波長(zhǎng)的激光以及氣體放電的譜線（若激光無雜線時(shí)，可不用此光柵）。純化后的激光經(jīng)棱鏡折光改變光路再由透鏡準(zhǔn)確地聚焦在樣品上。樣品所發(fā)出的拉曼散射光再經(jīng)聚光透鏡準(zhǔn)確地聚集在單色儀的入射狹縫上。2、外光路系統(tǒng)3、樣品池

由于在可見光區(qū)域內(nèi)，拉曼散射不會(huì)被玻璃吸收，因此拉曼光譜的一大優(yōu)點(diǎn)是樣品可放在玻璃制成的各種樣品池中，這給樣品的拉曼測(cè)試帶來很大便利。樣品池可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和樣品的形狀和數(shù)量而設(shè)計(jì)成不同的形狀。

3、樣品池4、單色器

經(jīng)樣品散射的光，其絕大部分為Rayleigh散射光，Raman散射光強(qiáng)度僅為Rayleigh散射光強(qiáng)度的10-6～10-9，散射光由外光路系統(tǒng)收集進(jìn)入單色儀。單色儀是色散型拉曼光譜儀的心臟部分，它應(yīng)具有雜散光少、色散度高等特點(diǎn)。為了降低Rayleigh散射光對(duì)檢測(cè)強(qiáng)度較弱的拉曼散射光的影響，通常采用雙單色儀，有時(shí)甚至采用三單色儀來進(jìn)一步降低雜散光，提高分辨率。但光柵的反射率一般小100%，使用多光柵必然要降低光通。4、單色器5、檢測(cè)和記錄系統(tǒng)

激光拉曼光譜儀中一般采用光電倍增管做探測(cè)器，由于拉曼散射強(qiáng)度很弱，這就要求光電倍增管要有高的量子效率和盡可能低的熱離子暗電流。近年來，液氮冷卻的CCD型電子偶合器件探測(cè)器的使用可大大提高探測(cè)器的靈敏度。由探測(cè)器輸出的信號(hào)必須經(jīng)放大，然后由記錄儀記錄或輸出到計(jì)算機(jī)上。5、檢測(cè)和記錄系統(tǒng)3.2拉曼光譜技術(shù)優(yōu)越性1、水的拉曼散射強(qiáng)度很微弱,因此拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。2、拉曼一次可以同時(shí)覆蓋很廣波數(shù)的區(qū)間,可對(duì)有機(jī)物及無機(jī)物等多種物質(zhì)進(jìn)行分析。相反,若讓紅外光譜覆蓋如此廣闊的區(qū)域則必須改變各種器件的參數(shù),相比較而言程序復(fù)雜不具有通用性。3、拉曼光譜的譜峰清晰尖銳,適合定量研究以及運(yùn)用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中,獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。3.2拉曼光譜技術(shù)優(yōu)越性1、水的拉曼散射強(qiáng)度很微弱,因此拉曼4、由于激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,所以,常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。而且,拉曼顯微鏡物鏡可以將激光束進(jìn)一步聚焦至20微米甚至更小,因此可分析更小體積的樣品。

5、利用共振拉曼效應(yīng),可以用來有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個(gè)發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng),這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍。4、由于激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,所4、表面增強(qiáng)拉曼光譜概述4.1SERS的發(fā)現(xiàn)

表面增強(qiáng)拉曼散射現(xiàn)象第一次被觀測(cè)到,是在1979年,Fleischman小組在對(duì)粗糙化的Ag電極表面的吡啶進(jìn)行研究時(shí),發(fā)現(xiàn)其具有巨大的拉曼散射現(xiàn)象[4]。后來直到VanDuyne和Creighion領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)研究小組[5,6]分別重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)并證實(shí)了這一現(xiàn)象。通過計(jì)算,這種銀電極表面的吡啶分子的拉曼信號(hào)是其水溶液的106倍。這一嶄新的現(xiàn)象被稱之為表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface-enhancedRamanscattering,SERS)。4、表面增強(qiáng)拉曼光譜概述4.1SERS的發(fā)現(xiàn)4.2SERS基本原理

SERS效應(yīng)可以使拉曼信號(hào)得到高達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng),通常是增強(qiáng)來自分子的信號(hào)。SERS中信號(hào)的增強(qiáng)主要來自于光與金屬之間的電磁作用。這種作用會(huì)通過等離子體共振激發(fā)使得激光場(chǎng)得到極大的增強(qiáng)。要產(chǎn)生這一現(xiàn)象,分子必須吸附在或者非常接近金屬表面(通常最大約為10nm)。SERS的命名,能很好的總結(jié)這一效應(yīng)的要點(diǎn):4.2SERS基本原理SERS效應(yīng)Surface(S):

SERS是一種表面光譜技術(shù),因此分子必須吸附在(或者很接近)金屬表面。這是對(duì)SERS的應(yīng)用來說最主要的一點(diǎn)。必須確保要檢測(cè)的分子“貼”到了金屬基底的表面。Enhanced(E):

信號(hào)高達(dá)104-107的增強(qiáng)是由金屬基底上的等離子體共振造成的。事實(shí)上,等離子體共振是與金屬的電磁輻射作用有關(guān)的一系列效應(yīng)的簡(jiǎn)稱。另外，SERS效應(yīng)中,金屬以納米結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn),從金屬溶膠到用納米光刻制或者自組裝制備,形式變化多樣。不同的金屬,要求的粗糙度也不一樣。在可見光范圍內(nèi)，Ag的粗糙度在100nm左右,有較好的增強(qiáng)效果[8]。而Cu的粗糙度在50nm，在紅外區(qū)增強(qiáng)最明顯[9]。Surface(S):Raman(R):這項(xiàng)技術(shù)存在于分子(SERS探針或被分析物)信號(hào)的測(cè)量。拉曼光譜研究的是非彈性散射,能解析被探測(cè)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)尤其是振動(dòng)結(jié)構(gòu)。S:表示scattering或者spectroscopy，當(dāng)強(qiáng)調(diào)光學(xué)效應(yīng)時(shí),用scattering；當(dāng)強(qiáng)調(diào)光譜技術(shù)及其應(yīng)用時(shí),用spectroscopy。表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件4.3SERS機(jī)理

為了解釋SERS

的增強(qiáng)機(jī)制，人們提出了不同的理論模型。由于分子的拉曼散射是分子在外電場(chǎng)作用下被極化而產(chǎn)生極化率，交變的極化率在再發(fā)射的過程中，受到分子中原子間振動(dòng)的影響，從而產(chǎn)生拉曼散射光。散射光的增強(qiáng)可能是由于作用在分子上的局域電場(chǎng)的增加和分子極化率的改變，可以形象地把分子的極化偶極矩看成是電磁效應(yīng)和分子效應(yīng)的乘積。目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)同的SERS

機(jī)理主要有物理增強(qiáng)機(jī)理和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理兩類,物理增強(qiáng)機(jī)制通過局域場(chǎng)和偶極發(fā)射起作用，化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制通過分子的極化率起作用。4.3SERS機(jī)理為了解釋SERS的4.3.1物理增加機(jī)理

物理類模型致力于闡釋金屬表面局域電場(chǎng)的增強(qiáng)，它認(rèn)為，具有一定表面粗糙度的類自由電子金屬基底的存在，使得入射光在表面產(chǎn)生的電磁場(chǎng)得到較大的增強(qiáng)，而拉曼散射強(qiáng)度與分子誘導(dǎo)偶極矩P的平方成正比，因此極大地增加了吸附在表面的分子產(chǎn)生拉曼散射的幾率，從而提高了檢測(cè)到的表面拉曼強(qiáng)度。物理類模型主要包括以下幾種典型模型。4.3.1物理增加機(jī)理A、表面電磁場(chǎng)模型

表面電磁增強(qiáng)模型又可稱為表面等離子體共振模型。該模型認(rèn)為，在光電場(chǎng)作用下，金屬表面附近的電子會(huì)產(chǎn)生疏密振動(dòng)。因此當(dāng)粗糙化的襯底材料表面受到光照射時(shí)，襯底材料表面的等離子體能被激發(fā)到高的能級(jí)，而與光波的電場(chǎng)耦合，并發(fā)生共振，使金屬表面的電場(chǎng)增強(qiáng)，從而產(chǎn)生增強(qiáng)的拉曼散射。A、表面電磁場(chǎng)模型B、天線共振子模型天線共振子模型是P.Watcher

教授[10]在1983年提出的SERS增強(qiáng)機(jī)制理論模型。該模型認(rèn)為具有一定粗糙度的金屬表面的顆粒或凸起可看作是有一定形狀，能與光波耦合的天線振子。粗糙金屬表面的突出物或各種微?？梢员豢醋魑挥陔姶艌?chǎng)中的天線振子，它們既可以吸收電磁波，也可以發(fā)射電磁波。當(dāng)電磁波波長(zhǎng)和粒子尺寸之間滿足一定條件時(shí)，電磁波在粒子中將發(fā)生共振，此時(shí)輻射場(chǎng)最大；同時(shí)，吸附在粒子表面上分子的拉曼散射光(也是一種電磁輻射)強(qiáng)度也會(huì)受到天線振子的增強(qiáng)，從而產(chǎn)生SERS

效應(yīng)[11]。B、天線共振子模型C、表面鏡像場(chǎng)模型

表面鏡象場(chǎng)模型是提出得比較早的電磁增強(qiáng)類模型之一，鏡像場(chǎng)模型假定金屬表面是一面理想的鏡子，吸附分子為振動(dòng)偶極子，它在金屬內(nèi)產(chǎn)生共軛的電偶極子，以此在表面形成鏡像光電場(chǎng)。入射光與鏡像光電場(chǎng)都對(duì)吸附分子的表面拉曼信號(hào)起增強(qiáng)作用，再加上表面反射造成兩倍的局域電場(chǎng)增強(qiáng)，可以得到總增強(qiáng)效應(yīng)。C、表面鏡像場(chǎng)模型D、避雷針效應(yīng)

金屬粗糙過程中產(chǎn)生的表面粒子形狀各不相同，一些粒子或粒子的某些部位曲率半徑非常小，這些顆粒的尖端處具有很強(qiáng)的局部表面電磁場(chǎng)。曲率半徑越小，其表面電場(chǎng)強(qiáng)度越大，從而引起拉曼散射強(qiáng)度的增強(qiáng)。D、避雷針效應(yīng)4.3.2化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理A、電荷轉(zhuǎn)移模型

電荷轉(zhuǎn)移模型認(rèn)為[13]：在適當(dāng)波長(zhǎng)的激光照射下，金屬中的電子被激發(fā)到電荷轉(zhuǎn)移態(tài)上去，這會(huì)引起分子原子核的骨架松弛，因?yàn)榉肿釉诨鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)下的平衡位置不同。當(dāng)電子再回到金屬中時(shí)發(fā)射的光子能量就比入射光少了一個(gè)振動(dòng)量子的能量。增強(qiáng)的原因是散射過程同電荷轉(zhuǎn)移態(tài)共振。4.3.2化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理A、電荷轉(zhuǎn)移模型B、活位模型

活位模型認(rèn)為：在所有吸附在金屬顆粒表面的分子中，只有當(dāng)其吸附在金屬顆粒表面某種特殊的位置(活位)的才能產(chǎn)生強(qiáng)的表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)。總的來說，物理類模型所涉及的分子與金屬間作用為物理吸附，具有長(zhǎng)程效應(yīng)，它的代表為EM模型?；瘜W(xué)類模型強(qiáng)調(diào)吸附分子與金屬基底間的吸附，具有短程效應(yīng)，它的代表為CT

模型。B、活位模型5、SERS應(yīng)用5.1SERS檢測(cè)微量添加物的研究

5.1.1中成藥中微量西藥成分的研究

中藥的熒光現(xiàn)象很強(qiáng)，而熒光是拉曼散射的“硬傷”，特別是在成分復(fù)雜的中藥中，西藥的光譜信號(hào)常常被強(qiáng)熒光遮蓋，常常表現(xiàn)為以上圖譜。5、SERS應(yīng)用5.1SERS檢測(cè)微量添加物的研究

SERS可以大大降低熒光的干擾，同時(shí)將信號(hào)放大10的n次方倍。以往關(guān)于SERS的研究，大都限于研究純化合物。因?yàn)镾ERS的高靈敏度SERS常常作為一種檢測(cè)器同其它經(jīng)典方法聯(lián)用來檢測(cè)混合物中的各成分或某些成分，常見的聯(lián)用方法有TLC-SERS、HPLC-SERS和CE-SERS等。在混合物的SERS研究方面，一般是研究同類化合物的共存情況，且各化合物在濃度數(shù)量級(jí)上相差不遠(yuǎn)。

張雁[15]等人對(duì)表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)中成藥中的西藥成分進(jìn)行了研究。馬來酸羅格列酮和鹽酸苯乙雙胍都是常用的降糖類化學(xué)藥，也是藥品市場(chǎng)上常見的非法添加化學(xué)藥品種。這兩種化學(xué)藥的特點(diǎn)是每日服用量低，即非法添加比低，用傳統(tǒng)HPLC方法檢測(cè)消耗時(shí)間長(zhǎng)。我們用SERS對(duì)它們的光譜進(jìn)行了考察，檢測(cè)速度快，結(jié)果準(zhǔn)確，且不需對(duì)中成藥樣品進(jìn)行任何分離提取，操作簡(jiǎn)便快捷。張雁[15]等人對(duì)表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)中

馬來酸羅格列酮標(biāo)準(zhǔn)品溶液的SERS譜圖（C=0.0003%

）表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件

添加了不同比例的馬來酸羅格列酮的中成藥水溶液的SERS譜圖（馬來酸羅格列酮添加于中成藥中的比例：a:1%,b:0.8%,c:0.5%,d:0.3%,e:0.1%，f:0%

。表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件

鹽酸苯乙雙胍標(biāo)準(zhǔn)品溶液的SERS譜圖（C=0.0003%

）

表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件

添加了微量鹽酸苯乙雙胍的中成藥水溶液的SERS譜圖（鹽酸苯乙雙胍添加于中成藥中的比例：a:1%,b:0.8%,c:0.5%,d:0.3%,e:0.1%。）表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件鹽酸苯乙雙胍與馬來酸羅格列酮標(biāo)準(zhǔn)品混合溶液的SERS譜（C=0.0003%）表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件

兩種西藥添加于中成藥中的比例：a:馬來酸羅格列酮0.5%，鹽酸苯乙雙胍0.8%；b:馬來酸羅格列酮0.3%，鹽酸苯乙雙胍0.5%；c:馬來酸羅格列酮0.1%，鹽酸苯乙雙胍0.3%。表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件5.1.2蘇丹紅的表面增強(qiáng)拉曼光譜

蘇丹紅原料的SERS

圖譜(C=0.0001%)

5.1.2蘇丹紅的表面增強(qiáng)拉曼光譜添加了0.05%蘇丹紅的番茄醬的SERS

表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件實(shí)驗(yàn)初步說明，SERS用于檢測(cè)復(fù)雜混合體系中的微量特定成分有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)不需要對(duì)復(fù)雜樣品進(jìn)行任何的前處理及提取分離，可以對(duì)其中的微量特定成分進(jìn)行直接檢測(cè)，且檢測(cè)靈敏度高。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程不需要使用有機(jī)試劑，經(jīng)濟(jì)、快捷、環(huán)保。實(shí)驗(yàn)初步說明，SERS用于檢測(cè)復(fù)雜混合體系中的微量特定5.2快速檢測(cè)牛奶中的三聚氰胺

目前，檢測(cè)三聚氰胺的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法為高效液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法三種方法為三聚氰胺的檢測(cè)方法，檢測(cè)定量限分別為2mg/kg、0.05mg/kg

和0.01mg/kg[16]。但對(duì)牛奶收購(gòu)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)的三聚氰胺現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定需求，上述技術(shù)存在成本高、檢測(cè)周期長(zhǎng)等缺陷?，F(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定三聚氰胺的技術(shù)成為食品安全監(jiān)管部門和生產(chǎn)企業(yè)的需求。趙宇翔[17]等人采用便攜式拉曼檢測(cè)儀，結(jié)合表面增強(qiáng)試劑技術(shù)，牛奶中三聚氰胺檢測(cè)限可達(dá)2.0mg/L，且重現(xiàn)性良好，樣品前處理簡(jiǎn)單，檢測(cè)時(shí)間短，檢測(cè)成本低，設(shè)備操作相對(duì)簡(jiǎn)捷，適用于食品安全監(jiān)管部門和食品生產(chǎn)企業(yè)。5.2快速檢測(cè)牛奶中的三聚氰胺5.2.1三聚氰胺的表面增強(qiáng)特征光譜圖含5mg/L三聚氰胺的牛奶樣品的表面增強(qiáng)拉曼光譜

5.2.1三聚氰胺的表面增強(qiáng)特征光譜圖5.2.2靈敏度試驗(yàn)三聚氰胺梯度濃度對(duì)比試驗(yàn)

樣品編號(hào)三聚氰胺濃度（mg/L)陰性陽性1234501.02.05.010.0-(n=15)-(n=15)-(n=0）-(n=0）-(n=0）+(n=0)+(n=0)+(n=15)+(n=15)+(n=15)5.2.2靈敏度試驗(yàn)樣品編號(hào)三聚氰胺濃度（mg/L)5.2.3干擾物質(zhì)和梯度濃度三聚氰胺混合牛奶標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測(cè)

10g/L含氮化合物和梯度濃度三聚氰胺混合牛奶標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測(cè)結(jié)果見下表，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，三個(gè)分析人員的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)2.0mg/L

及以上濃度的樣品陽性率達(dá)100%。5.2.3干擾物質(zhì)和梯度濃度三聚氰胺混合牛奶標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測(cè)

表面增強(qiáng)拉曼光譜快速測(cè)定牛奶中的三聚氰胺方法的檢測(cè)限為2.0mg/L；常見的牛奶中的尿素、亞硝酸鈉等共存物均不干擾檢測(cè)，特異性較好。該方法操作簡(jiǎn)單，易于掌握，同時(shí)可在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)操作流程從樣品制備、檢測(cè)、到結(jié)果顯示一般可在10min

內(nèi)完成，因此尤其適宜于現(xiàn)場(chǎng)篩檢。方法也可適用于食品安全監(jiān)管部門和食品生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的三聚氰胺快速測(cè)定。

5.3SERS快速檢測(cè)水產(chǎn)品中孔雀石綠孔雀石綠是一種人工合成的三苯甲烷類堿性染料,自20世紀(jì)30年代起就被廣泛用于漁業(yè)生產(chǎn),防治水霉病。研究發(fā)現(xiàn)孔雀石綠易為魚類吸收并代謝為無色孔雀石綠,且孔雀石綠及其代謝產(chǎn)物均有毒性和致癌性。目前檢測(cè)孔雀石綠的方法很多,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法為高效液相色譜法、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法,檢測(cè)定量限分別為2.0μg/kg、0.5μg/kg。顧振華[18]等人采用便攜式拉曼檢測(cè)儀,結(jié)合表面增強(qiáng)試劑技術(shù),水產(chǎn)品水樣中孔雀石綠檢測(cè)限可達(dá)5.0μg/L,且重現(xiàn)性良好,樣品前處理簡(jiǎn)單,檢測(cè)時(shí)間短,檢測(cè)成本低,設(shè)備操作相對(duì)簡(jiǎn)捷,適用于食品安全監(jiān)管部門和食品生產(chǎn)企業(yè)。5.3SERS快速檢測(cè)水產(chǎn)品中孔雀石綠5.3.1孔雀石綠的表面特征拉曼光譜圖

用表面增強(qiáng)特征拉曼光譜技術(shù)對(duì)10μg/L孔雀石綠水溶液進(jìn)行測(cè)定,表面增強(qiáng)拉曼光譜顯示432~437cm-1,1166~1170cm-1,1613~1617cm-1處有孔雀石綠的特征峰,可做孔雀石綠定性檢測(cè)的依據(jù)。如432~437cm-1,1166~1170cm-1,1613~1617cm-1,同時(shí)出現(xiàn)波峰,且強(qiáng)度大于1000,則證明樣品中含有孔雀石綠。5.3.1孔雀石綠的表面特征拉曼光譜圖含10μg/L孔雀石綠水溶液的表面增強(qiáng)拉曼光譜表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件5.3.2靈敏度試驗(yàn)孔雀石綠梯度深度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

1.02.05.010.0(n=0)(n=0)(n=15)(n=15)5.3.2靈敏度試驗(yàn)1.02.05.010.0(n=0)(5.3.3干擾物質(zhì)和梯度濃度孔雀石綠混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測(cè)（n=0)(n=15)（n=0)（n=0)（n=0)（n=0)（n=0)(n=15)(n=15)(n=15)(n=15)(n=15)5.3.3干擾物質(zhì)和梯度濃度孔雀石綠混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測(cè)（n=5.3.4水產(chǎn)品水樣的檢測(cè)孔雀石綠現(xiàn)場(chǎng)樣品檢測(cè)的結(jié)果比較

由表可見,對(duì)水產(chǎn)品養(yǎng)殖水中孔雀石綠總含量大于5.0μg/L的水樣檢測(cè)結(jié)果均為陽性,陽性符合率達(dá)100%；對(duì)水產(chǎn)品未檢出(檢出限0.5μg/L)孔雀石綠的水樣檢測(cè)結(jié)果均為陰性,陰性符合率達(dá)100%。5.3.4水產(chǎn)品水樣的檢測(cè)

表面增強(qiáng)拉曼光譜快速測(cè)定養(yǎng)殖水中的孔雀石綠方法的檢測(cè)限為5.0μg/L常見的水體中的尿素、亞硝酸鈉以及海水晶等共存物均不干擾檢測(cè),特異性較好。該方法操作簡(jiǎn)單,易于掌握,同時(shí)可在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)操作流程從樣品制備、檢測(cè)到結(jié)果顯示一般可在3min內(nèi)完成,因此尤其適宜于現(xiàn)場(chǎng)篩檢。方法也可適用于食品安全監(jiān)管部門和食品生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的孔雀石綠快速測(cè)定。

[4]M.Fleischmann,P.J.Hendere,andA.J.Mcquillan,ChemPhysLett.26(1974)123[5]AlbrechtM.G.,CreightonJ.A.,J.Am.Chem.Soe.99(1977)5215[6]JeanxnaireD.L.,VanDuyneR.P.,J.Eleetroanal.Chem.84(1977)[10]MoY,M?rkeI,WachterP.SurfaceenhancedRamanscatteringofpyridineonsilversurfacesofdifferentroughness[J].SurfaceScience.1983,133,(1):L452-L458.[11]李佳偉,白瑩,莫育俊.天線共振子理論對(duì)吡啶分子在鐵鈷鎳襯底上SERS增強(qiáng)因子的計(jì)算[J].光譜學(xué)與光譜分析.2006,26,(3):463-466.[13]PerssonBNJ.Onthetheoryofsurface-enhancedRamanscattering[J].ChemicalPhysicsLetters.1981,82,(3):561-565.[15]張雁，尹利輝，金少鴻；表面增強(qiáng)拉曼光譜法檢測(cè)微量添加物質(zhì)的研究；[16]

GB/T22388-2008，原料乳與乳制品中三聚氰胺檢測(cè)方法[S]北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.[17]

趙宇翔，彭少杰，趙建豐，胡耀銘，喻文娟，韓奕奕；表面增強(qiáng)拉曼光譜法快速檢測(cè)牛奶中的三聚氰胺（2011）27-29[18]

顧振華，趙宇翔，吳衛(wèi)平，彭少杰，趙建豐，胡耀銘，喻文娟，韓奕奕；表面增強(qiáng)拉曼光譜法快速檢測(cè)水產(chǎn)品中的孔雀石綠；（2011）14-22[4]M.Fleischmann,P.J.Hendere,a此課件下載可自行編輯修改，供參考！感謝您的支持，我們努力做得更好！此課件下載可自行編輯修改，供參考！表面增強(qiáng)拉曼光譜

分析原理及應(yīng)用表面增強(qiáng)拉曼光譜

分析原理及應(yīng)用一、引言二、拉曼光譜基本理論三、拉曼光譜儀器介紹四、表面增強(qiáng)拉曼光譜概述五、表面增強(qiáng)拉曼光譜的應(yīng)用六、前景展望表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件一、引言用單色光照射透明介質(zhì)（氣體、液體或固體）時(shí)，絕大部分的光沿著入射光的方向透過，在透射和反射方向以外會(huì)出現(xiàn)光的散射現(xiàn)象。當(dāng)激發(fā)光的光子與作為散射中心的光子相互作用時(shí)，大部分光子只是改變方向發(fā)生散射，而光的頻率與激發(fā)光的頻率相同，這種散射稱為Rayleigh散射。約占光散射強(qiáng)度的10-6~10-9的散射，不僅改變光的傳播方向，而且散射光的頻率不同于激發(fā)光的頻率，這種散射稱為Raman散射。一、引言用單色光照射透明介質(zhì)（氣體、液體或固體）時(shí)，絕光散射的過程：激光入射到樣品，產(chǎn)生散射光。

散射光彈性散射（頻率不改變-瑞利散射）非彈性散射（頻率改變-拉曼散射）光散射的過程：激光入射到樣品，產(chǎn)生散射光。散射光彈性散射（頻表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件2、拉曼光譜基本理論2.1

拉曼光譜歷史淵源1923年德國(guó)的Smeka理論上預(yù)言了光的非彈性散射。1926年印度物理學(xué)家Raman在論文中開始并沒有肯定這種散射是非彈性的,以后的許多次實(shí)驗(yàn)最終證明了這種散射的非彈性,他將這種效應(yīng)稱為“一種新輻射”。1928年,Raman和Kishnan首先在液體苯中觀察到了這種散射效應(yīng)。此后不久,俄國(guó)物理學(xué)家Lardsberg和MandelStam在石英中也發(fā)現(xiàn)了同樣的光散射現(xiàn)象,他們稱之為“聯(lián)合散射光譜”。2、拉曼光譜基本理論2.1拉曼光譜歷史淵源1928年，Cabanues和Rocard在巴黎也證實(shí)了Raman的觀察結(jié)果,Pringsheim撰文總結(jié)并指出Raman發(fā)現(xiàn)的是一種全新的現(xiàn)象,并建議稱之為Raman效應(yīng),1930年42歲的Raman為此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),這是亞洲人獲得的第一個(gè)諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)。1928年，Cabanues和Rocard在巴黎也證實(shí)了Ra2.2拉曼光譜基本原理

拉曼光譜是單色光束入射光的光子與分子發(fā)生非彈性散射的結(jié)果。在非彈性碰撞過程中，光子與分子之間發(fā)生能量交換，光子不僅改變運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)光子的一部分能量傳遞給分子，或分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量傳遞給光子，從而改變了光子的頻率，這種散射過程稱為拉曼散射。2.2拉曼光譜基本原理拉曼光譜是單色光束入射光的光子與2.3拉曼光譜量子理論瑞利散射：彈性碰撞，無能量交換，僅改變方向。拉曼散射：非彈性碰撞；方向改變，且有能量交換。2.3拉曼光譜量子理論瑞利散射：拉曼散射的兩種能量差拉曼散射的兩種能量差A(yù)、ΔE=h(v0–Δv）產(chǎn)生stokes線：強(qiáng)；基態(tài)分子多B、ΔE=h(v0＋

Δv)產(chǎn)生反stokes線：弱

Stokes與反Stokes線的頻率與入射光頻率之差Δv稱為Raman位移。同一種物質(zhì)分子，隨著入射光頻率的改變，Raman線的頻率也改變，但位移Δv始終保持不變，故Raman位移與入射光頻率無關(guān)。A、ΔE=h(v0–Δv）

RayleighStokesAnti-StokesResonanceRamanFluorescenceRayleighStokesAnti-ResonanceFl拉曼光譜研究分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式的機(jī)理與紅外光譜的異同點(diǎn)？

相同點(diǎn)：同屬于分子光譜。兩者都是研究分子振動(dòng)的重要手段。不同點(diǎn)：一些同核原子對(duì)稱結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)(如：-C=C-、-N=N-、-S-S-等)在紅外光譜儀較難檢測(cè)的信息，在拉曼光譜儀上卻有較強(qiáng)的反映；而在紅外光譜中有很強(qiáng)吸收峰的不均衡對(duì)稱的官能團(tuán)，在拉曼光譜卻表現(xiàn)很弱。拉曼光譜研究分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式的機(jī)理與紅外光譜的異同點(diǎn)？3、拉曼光譜儀器激光Raman光譜儀激光光源：A、He-Ne激光器，波長(zhǎng)632.8nmB、Ar激光器波長(zhǎng)514.5nm

488.0nm3、拉曼光譜儀器激光Raman光譜儀傅里葉變換-Raman光譜儀光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（λ=1064nm）傅里葉變換-Raman光譜儀3.1儀器結(jié)構(gòu)1、激光光源

根據(jù)所用的材料不同大致可把激光器分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和燃料激光器等四大類。氣體激光器的類型最多，在拉曼光譜儀中的應(yīng)用也最廣泛。它包括原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器以及準(zhǔn)分子激光器。固體激光器主要有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石（YAG）激光器、摻釹的玻璃激光器等。這類激光器的特點(diǎn)是輸出功率高，并且體積小又很堅(jiān)固。其YAG激光器是一種比較有用的固體激光器，其激光波長(zhǎng)為1064nm。半導(dǎo)體激光器在所有的激光器中是效率最高、體積最小的一種激光器。3.1儀器結(jié)構(gòu)1、激光光源2、外光路系統(tǒng)

外光路系統(tǒng)一般是指在激光器之后、單色器之前的光學(xué)系統(tǒng)，它的作用是為了有效地收集拉曼散射光。在外光路系統(tǒng)中，激光器輸出的激光首先經(jīng)過光柵，以消除激光中可能混有的其它波長(zhǎng)的激光以及氣體放電的譜線（若激光無雜線時(shí)，可不用此光柵）。純化后的激光經(jīng)棱鏡折光改變光路再由透鏡準(zhǔn)確地聚焦在樣品上。樣品所發(fā)出的拉曼散射光再經(jīng)聚光透鏡準(zhǔn)確地聚集在單色儀的入射狹縫上。2、外光路系統(tǒng)3、樣品池

由于在可見光區(qū)域內(nèi)，拉曼散射不會(huì)被玻璃吸收，因此拉曼光譜的一大優(yōu)點(diǎn)是樣品可放在玻璃制成的各種樣品池中，這給樣品的拉曼測(cè)試帶來很大便利。樣品池可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和樣品的形狀和數(shù)量而設(shè)計(jì)成不同的形狀。

3、樣品池4、單色器

經(jīng)樣品散射的光，其絕大部分為Rayleigh散射光，Raman散射光強(qiáng)度僅為Rayleigh散射光強(qiáng)度的10-6～10-9，散射光由外光路系統(tǒng)收集進(jìn)入單色儀。單色儀是色散型拉曼光譜儀的心臟部分，它應(yīng)具有雜散光少、色散度高等特點(diǎn)。為了降低Rayleigh散射光對(duì)檢測(cè)強(qiáng)度較弱的拉曼散射光的影響，通常采用雙單色儀，有時(shí)甚至采用三單色儀來進(jìn)一步降低雜散光，提高分辨率。但光柵的反射率一般小100%，使用多光柵必然要降低光通。4、單色器5、檢測(cè)和記錄系統(tǒng)

激光拉曼光譜儀中一般采用光電倍增管做探測(cè)器，由于拉曼散射強(qiáng)度很弱，這就要求光電倍增管要有高的量子效率和盡可能低的熱離子暗電流。近年來，液氮冷卻的CCD型電子偶合器件探測(cè)器的使用可大大提高探測(cè)器的靈敏度。由探測(cè)器輸出的信號(hào)必須經(jīng)放大，然后由記錄儀記錄或輸出到計(jì)算機(jī)上。5、檢測(cè)和記錄系統(tǒng)3.2拉曼光譜技術(shù)優(yōu)越性1、水的拉曼散射強(qiáng)度很微弱,因此拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。2、拉曼一次可以同時(shí)覆蓋很廣波數(shù)的區(qū)間,可對(duì)有機(jī)物及無機(jī)物等多種物質(zhì)進(jìn)行分析。相反,若讓紅外光譜覆蓋如此廣闊的區(qū)域則必須改變各種器件的參數(shù),相比較而言程序復(fù)雜不具有通用性。3、拉曼光譜的譜峰清晰尖銳,適合定量研究以及運(yùn)用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中,獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。3.2拉曼光譜技術(shù)優(yōu)越性1、水的拉曼散射強(qiáng)度很微弱,因此拉曼4、由于激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,所以,常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。而且,拉曼顯微鏡物鏡可以將激光束進(jìn)一步聚焦至20微米甚至更小,因此可分析更小體積的樣品。

5、利用共振拉曼效應(yīng),可以用來有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個(gè)發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng),這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍。4、由于激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,所4、表面增強(qiáng)拉曼光譜概述4.1SERS的發(fā)現(xiàn)

表面增強(qiáng)拉曼散射現(xiàn)象第一次被觀測(cè)到,是在1979年,Fleischman小組在對(duì)粗糙化的Ag電極表面的吡啶進(jìn)行研究時(shí),發(fā)現(xiàn)其具有巨大的拉曼散射現(xiàn)象[4]。后來直到VanDuyne和Creighion領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)研究小組[5,6]分別重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)并證實(shí)了這一現(xiàn)象。通過計(jì)算,這種銀電極表面的吡啶分子的拉曼信號(hào)是其水溶液的106倍。這一嶄新的現(xiàn)象被稱之為表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface-enhancedRamanscattering,SERS)。4、表面增強(qiáng)拉曼光譜概述4.1SERS的發(fā)現(xiàn)4.2SERS基本原理

SERS效應(yīng)可以使拉曼信號(hào)得到高達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng),通常是增強(qiáng)來自分子的信號(hào)。SERS中信號(hào)的增強(qiáng)主要來自于光與金屬之間的電磁作用。這種作用會(huì)通過等離子體共振激發(fā)使得激光場(chǎng)得到極大的增強(qiáng)。要產(chǎn)生這一現(xiàn)象,分子必須吸附在或者非常接近金屬表面(通常最大約為10nm)。SERS的命名,能很好的總結(jié)這一效應(yīng)的要點(diǎn):4.2SERS基本原理SERS效應(yīng)Surface(S):

SERS是一種表面光譜技術(shù),因此分子必須吸附在(或者很接近)金屬表面。這是對(duì)SERS的應(yīng)用來說最主要的一點(diǎn)。必須確保要檢測(cè)的分子“貼”到了金屬基底的表面。Enhanced(E):

信號(hào)高達(dá)104-107的增強(qiáng)是由金屬基底上的等離子體共振造成的。事實(shí)上,等離子體共振是與金屬的電磁輻射作用有關(guān)的一系列效應(yīng)的簡(jiǎn)稱。另外，SERS效應(yīng)中,金屬以納米結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn),從金屬溶膠到用納米光刻制或者自組裝制備,形式變化多樣。不同的金屬,要求的粗糙度也不一樣。在可見光范圍內(nèi)，Ag的粗糙度在100nm左右,有較好的增強(qiáng)效果[8]。而Cu的粗糙度在50nm，在紅外區(qū)增強(qiáng)最明顯[9]。Surface(S):Raman(R):這項(xiàng)技術(shù)存在于分子(SERS探針或被分析物)信號(hào)的測(cè)量。拉曼光譜研究的是非彈性散射,能解析被探測(cè)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)尤其是振動(dòng)結(jié)構(gòu)。S:表示scattering或者spectroscopy，當(dāng)強(qiáng)調(diào)光學(xué)效應(yīng)時(shí),用scattering；當(dāng)強(qiáng)調(diào)光譜技術(shù)及其應(yīng)用時(shí),用spectroscopy。表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件4.3SERS機(jī)理

為了解釋SERS

的增強(qiáng)機(jī)制，人們提出了不同的理論模型。由于分子的拉曼散射是分子在外電場(chǎng)作用下被極化而產(chǎn)生極化率，交變的極化率在再發(fā)射的過程中，受到分子中原子間振動(dòng)的影響，從而產(chǎn)生拉曼散射光。散射光的增強(qiáng)可能是由于作用在分子上的局域電場(chǎng)的增加和分子極化率的改變，可以形象地把分子的極化偶極矩看成是電磁效應(yīng)和分子效應(yīng)的乘積。目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)同的SERS

機(jī)理主要有物理增強(qiáng)機(jī)理和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理兩類,物理增強(qiáng)機(jī)制通過局域場(chǎng)和偶極發(fā)射起作用，化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制通過分子的極化率起作用。4.3SERS機(jī)理為了解釋SERS的4.3.1物理增加機(jī)理

物理類模型致力于闡釋金屬表面局域電場(chǎng)的增強(qiáng)，它認(rèn)為，具有一定表面粗糙度的類自由電子金屬基底的存在，使得入射光在表面產(chǎn)生的電磁場(chǎng)得到較大的增強(qiáng)，而拉曼散射強(qiáng)度與分子誘導(dǎo)偶極矩P的平方成正比，因此極大地增加了吸附在表面的分子產(chǎn)生拉曼散射的幾率，從而提高了檢測(cè)到的表面拉曼強(qiáng)度。物理類模型主要包括以下幾種典型模型。4.3.1物理增加機(jī)理A、表面電磁場(chǎng)模型

表面電磁增強(qiáng)模型又可稱為表面等離子體共振模型。該模型認(rèn)為，在光電場(chǎng)作用下，金屬表面附近的電子會(huì)產(chǎn)生疏密振動(dòng)。因此當(dāng)粗糙化的襯底材料表面受到光照射時(shí)，襯底材料表面的等離子體能被激發(fā)到高的能級(jí)，而與光波的電場(chǎng)耦合，并發(fā)生共振，使金屬表面的電場(chǎng)增強(qiáng)，從而產(chǎn)生增強(qiáng)的拉曼散射。A、表面電磁場(chǎng)模型B、天線共振子模型天線共振子模型是P.Watcher

教授[10]在1983年提出的SERS增強(qiáng)機(jī)制理論模型。該模型認(rèn)為具有一定粗糙度的金屬表面的顆?；蛲蛊鹂煽醋魇怯幸欢ㄐ螤睿芘c光波耦合的天線振子。粗糙金屬表面的突出物或各種微粒可以被看作位于電磁場(chǎng)中的天線振子，它們既可以吸收電磁波，也可以發(fā)射電磁波。當(dāng)電磁波波長(zhǎng)和粒子尺寸之間滿足一定條件時(shí)，電磁波在粒子中將發(fā)生共振，此時(shí)輻射場(chǎng)最大；同時(shí)，吸附在粒子表面上分子的拉曼散射光(也是一種電磁輻射)強(qiáng)度也會(huì)受到天線振子的增強(qiáng)，從而產(chǎn)生SERS

效應(yīng)[11]。B、天線共振子模型C、表面鏡像場(chǎng)模型

表面鏡象場(chǎng)模型是提出得比較早的電磁增強(qiáng)類模型之一，鏡像場(chǎng)模型假定金屬表面是一面理想的鏡子，吸附分子為振動(dòng)偶極子，它在金屬內(nèi)產(chǎn)生共軛的電偶極子，以此在表面形成鏡像光電場(chǎng)。入射光與鏡像光電場(chǎng)都對(duì)吸附分子的表面拉曼信號(hào)起增強(qiáng)作用，再加上表面反射造成兩倍的局域電場(chǎng)增強(qiáng)，可以得到總增強(qiáng)效應(yīng)。C、表面鏡像場(chǎng)模型D、避雷針效應(yīng)

金屬粗糙過程中產(chǎn)生的表面粒子形狀各不相同，一些粒子或粒子的某些部位曲率半徑非常小，這些顆粒的尖端處具有很強(qiáng)的局部表面電磁場(chǎng)。曲率半徑越小，其表面電場(chǎng)強(qiáng)度越大，從而引起拉曼散射強(qiáng)度的增強(qiáng)。D、避雷針效應(yīng)4.3.2化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理A、電荷轉(zhuǎn)移模型

電荷轉(zhuǎn)移模型認(rèn)為[13]：在適當(dāng)波長(zhǎng)的激光照射下，金屬中的電子被激發(fā)到電荷轉(zhuǎn)移態(tài)上去，這會(huì)引起分子原子核的骨架松弛，因?yàn)榉肿釉诨鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)下的平衡位置不同。當(dāng)電子再回到金屬中時(shí)發(fā)射的光子能量就比入射光少了一個(gè)振動(dòng)量子的能量。增強(qiáng)的原因是散射過程同電荷轉(zhuǎn)移態(tài)共振。4.3.2化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理A、電荷轉(zhuǎn)移模型B、活位模型

活位模型認(rèn)為：在所有吸附在金屬顆粒表面的分子中，只有當(dāng)其吸附在金屬顆粒表面某種特殊的位置(活位)的才能產(chǎn)生強(qiáng)的表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)。總的來說，物理類模型所涉及的分子與金屬間作用為物理吸附，具有長(zhǎng)程效應(yīng)，它的代表為EM模型。化學(xué)類模型強(qiáng)調(diào)吸附分子與金屬基底間的吸附，具有短程效應(yīng)，它的代表為CT

模型。B、活位模型5、SERS應(yīng)用5.1SERS檢測(cè)微量添加物的研究

5.1.1中成藥中微量西藥成分的研究

中藥的熒光現(xiàn)象很強(qiáng)，而熒光是拉曼散射的“硬傷”，特別是在成分復(fù)雜的中藥中，西藥的光譜信號(hào)常常被強(qiáng)熒光遮蓋，常常表現(xiàn)為以上圖譜。5、SERS應(yīng)用5.1SERS檢測(cè)微量添加物的研究

SERS可以大大降低熒光的干擾，同時(shí)將信號(hào)放大10的n次方倍。以往關(guān)于SERS的研究，大都限于研究純化合物。因?yàn)镾ERS的高靈敏度SERS常常作為一種檢測(cè)器同其它經(jīng)典方法聯(lián)用來檢測(cè)混合物中的各成分或某些成分，常見的聯(lián)用方法有TLC-SERS、HPLC-SERS和CE-SERS等。在混合物的SERS研究方面，一般是研究同類化合物的共存情況，且各化合物在濃度數(shù)量級(jí)上相差不遠(yuǎn)。

張雁[15]等人對(duì)表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)中成藥中的西藥成分進(jìn)行了研究。馬來酸羅格列酮和鹽酸苯乙雙胍都是常用的降糖類化學(xué)藥，也是藥品市場(chǎng)上常見的非法添加化學(xué)藥品種。這兩種化學(xué)藥的特點(diǎn)是每日服用量低，即非法添加比低，用傳統(tǒng)HPLC方法檢測(cè)消耗時(shí)間長(zhǎng)。我們用SERS對(duì)它們的光譜進(jìn)行了考察，檢測(cè)速度快，結(jié)果準(zhǔn)確，且不需對(duì)中成藥樣品進(jìn)行任何分離提取，操作簡(jiǎn)便快捷。張雁[15]等人對(duì)表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)中

馬來酸羅格列酮標(biāo)準(zhǔn)品溶液的SERS譜圖（C=0.0003%

）表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件

添加了不同比例的馬來酸羅格列酮的中成藥水溶液的SERS譜圖（馬來酸羅格列酮添加于中成藥中的比例：a:1%,b:0.8%,c:0.5%,d:0.3%,e:0.1%，f:0%

。表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件

鹽酸苯乙雙胍標(biāo)準(zhǔn)品溶液的SERS譜圖（C=0.0003%

）

表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件

添加了微量鹽酸苯乙雙胍的中成藥水溶液的SERS譜圖（鹽酸苯乙雙胍添加于中成藥中的比例：a:1%,b:0.8%,c:0.5%,d:0.3%,e:0.1%。）表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件鹽酸苯乙雙胍與馬來酸羅格列酮標(biāo)準(zhǔn)品混合溶液的SERS譜（C=0.0003%）表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件

兩種西藥添加于中成藥中的比例：a:馬來酸羅格列酮0.5%，鹽酸苯乙雙胍0.8%；b:馬來酸羅格列酮0.3%，鹽酸苯乙雙胍0.5%；c:馬來酸羅格列酮0.1%，鹽酸苯乙雙胍0.3%。表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件5.1.2蘇丹紅的表面增強(qiáng)拉曼光譜

蘇丹紅原料的SERS

圖譜(C=0.0001%)

5.1.2蘇丹紅的表面增強(qiáng)拉曼光譜添加了0.05%蘇丹紅的番茄醬的SERS

表面增強(qiáng)拉曼光譜分析原理及應(yīng)用課件實(shí)驗(yàn)初步說明，SERS用于檢測(cè)復(fù)雜混合體系中的微量特定成分有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)不需要對(duì)復(fù)雜樣品進(jìn)行任何的前處理及提取分離，可以對(duì)其中的微量特定成分進(jìn)行直接檢測(cè)，且檢測(cè)靈敏度高。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程不需要使用有機(jī)試劑，經(jīng)濟(jì)、快捷、環(huán)保。實(shí)驗(yàn)初步說明，SERS用于檢測(cè)復(fù)雜混合體系中的微量特定5.2快速檢測(cè)牛奶中的三聚氰胺

目前，檢測(cè)三聚氰胺的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法為高效液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法三種方法為三聚氰胺的檢測(cè)方法，檢測(cè)定量限分別為2mg/kg、0.05mg/kg

和0.01mg/kg[16]。但對(duì)牛奶收購(gòu)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)的三聚氰胺現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定需求，上述技術(shù)存在成本高、檢測(cè)周期長(zhǎng)等缺陷?，F(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定三聚氰胺的技術(shù)成為食品安全監(jiān)管部門和生產(chǎn)企業(yè)的需求。趙宇翔[17]等人采用便攜式拉曼檢測(cè)儀，結(jié)合表面增強(qiáng)試劑技術(shù)，牛奶中三聚氰胺檢測(cè)限可達(dá)2.0mg/L，且重現(xiàn)性良好，樣品前處理簡(jiǎn)單，檢測(cè)時(shí)間短，檢測(cè)成本低，設(shè)備操作相對(duì)簡(jiǎn)捷，適用于食品安全監(jiān)管部門和食品生產(chǎn)企業(yè)。5.2快速檢測(cè)牛奶中的三聚氰胺5.2.1三聚氰胺的表面增強(qiáng)特征光譜圖含5mg/L三聚氰胺的牛奶樣品的表面增強(qiáng)拉曼光譜

5.2.1三聚氰胺的表面增強(qiáng)特征光譜圖5.2.2靈敏度試驗(yàn)三聚氰胺梯度濃度對(duì)比試驗(yàn)

樣品編號(hào)三聚氰胺濃度（mg/L)陰性陽性1234501.02.05.010.0-(n=15)-(n=15)-(n=0）-(n=0）-(n=0）+(n=0)+(n=0)+(n=15)+(n=15)+(n=15)5.2.2靈敏度試驗(yàn)樣品編號(hào)三聚氰胺濃度（mg/L)5.2.3干擾物質(zhì)和梯度濃度三聚氰胺混合牛奶標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測(cè)

10g/L含氮化合物和梯度濃度三聚氰胺混合牛奶標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測(cè)結(jié)果見下表，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，三個(gè)分析人員的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)2.0mg/L

及以上濃度的樣品陽性率達(dá)100%。5.2.3干擾物質(zhì)和梯度濃度三聚氰胺混合牛奶標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測(cè)

表面增強(qiáng)拉曼光譜快速測(cè)定牛奶中的三聚氰胺方法的檢測(cè)限為2.0mg/L；常見的牛奶中的尿素、亞硝酸鈉等共存物均不干擾檢測(cè)，特異性較好。該方法操作簡(jiǎn)單，易于掌握，同時(shí)可在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)操作流程從樣品制備、檢測(cè)、到結(jié)果顯示一般可在10min

內(nèi)完成，因此尤其適宜于現(xiàn)場(chǎng)篩檢。方法也可適用于食品安全監(jiān)管部門和食品生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的三聚氰胺快速測(cè)定。

5.3SERS快速檢測(cè)水產(chǎn)品中孔雀石綠孔雀石綠是一