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表面增強拉曼散射（SERS）的實際應用
介紹
表面增強拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，簡稱SERS）是一種將拉曼應用範圍擴展至稀釋樣品和微量分析的技術，例如水中污染物的百萬分之一水平檢測。SERS在生物化學、法醫學、食品安全、威脅檢測和醫學診斷等領域顯示出其潛力的研究底蘊。食品中的細菌、犯罪現場的微量證據、細胞材料或血糖都被用於SERS研究的樣品。如果SERS如此有用，為什麼它不被廣泛應用作為一種分析技術呢？本應用文章說明介紹了SERS技術，並敘述關於SERS及其如何應用於拉曼的操作。何謂SERS?
當分析物被吸附到或靠近已準備好的金屬表面時，就會實現SERS效應。拉曼激發雷射在金屬表面產生表面等離子體。這些表面等離子體與分析物相互作用，從而大大增強拉曼散射。圖1描述了SERS效應。為了達到最有效的增強效果，金屬和雷射之間必須共振，因此選擇合適的基板和雷射至關重要。
圖1. SERS效應示意圖
儘管目前還有其他種類的金屬正在研究中，但SERS最常用的金屬還是銀和金。其他已經顯示出有用的其他金屬包括銅、鉑和鈀。研究表明，與傳統拉曼採樣技術相比，其訊號增強了104倍或更多。獲得良好的SERS增強的一個重要組成環節是金屬表面的粗糙度。如果表面太光滑或太平坦，將無法有效生成表面等離子體。表面粗糙度特徵通常比雷射的波長小得多。例如，對於波長在532到780奈米範圍內的雷射，表面粗糙度特徵或粒子尺寸通常在20到100奈米的範圍內。
SERS效應
圖2顯示了使用SERS基板時可能實現的增強效果。我們選擇了一種常用於展示SERS效應的化合物，即trans-1,2-bis(4-pyridyl)ethylene，簡稱BPE。藍色光譜是BPE沉積在裸玻璃片上的，而紅色光譜是相同量的溶液沉積在SERS基板上的。兩個光譜之間的差異非常明顯。沒有放置在SERS基板上的BPE樣品只有一些微弱的特徵，而SERS光譜具有尖銳、強烈的峰值。這說明了人們對SERS的追求：能夠從稀釋樣品中獲得良好的光譜。另一個目標是獲得常規拉曼或其他技術可能無法提供的數據。
圖2. 有無SERS效應的光譜差異
進行SERS時需要考慮的事項
在進行SERS時，需要注意的一件事是它可以提供超出傳統拉曼光譜所能提供的訊息。SERS的一種應用方式是探究分析物與表面的相互作用，包括其如何吸附或結合到表面以及相互作用的幾何形狀。由於可能存在不同類型的表面相互作用，SERS產生的光譜可能與傳統拉曼分析的光譜不同。圖3顯示了這一點，該圖說明了氨基酸L-alanine拉曼和SERS分析。兩個光譜中都存在類似的峰值，但也存在顯著差異，包括高度不同的峰值、形狀不同、峰位移動以及新的峰值。根據L-alanine溶液pH值的不同，會有三種不同的離子形式：陽離子、陰離子或雙性離子。金屬基板可能具有整體電荷，這將影響分析物與基板的相互作用，並影響分析物的哪一部分與基板相互作用。SERS增強效應可能很顯著，因此通常需要較低的雷射功率，因為過高的功率可能會導致訊號過強，使儀器偵測器無法處理，過高的雷射功率也可能損壞或降解基板效果。
圖3. 633 nm雷射用於偵測L-alanine溶液SERS效應與粉末的光譜差異
SERS基板
通常使用的SERS基板要不是以膠體金屬溶液的形式，就是準備成平面表面，例如顯微鏡玻璃片，其上有金屬層沉積。膠體基板是懸浮在溶液中的金屬奈米粒子，這些奈米粒子的直徑或長度視粒子形狀而定，一般範圍在20到100奈米之間。一些人選擇製備自己的膠體溶液，通常遵循諸如Lee和Meisel方法製備銀膠體或Frens's方法製備金膠體的過程。為了獲得更好的可靠性和再現性，您可以購買膠體奈米球或其他形狀和金屬的溶液。其中一種樣品製備方法，使用幾微升的膠體溶液，將其塗抹在樣品上，或者與樣品溶液以1:1比例混合。樣品可以放置在顯微鏡玻璃片上，在分析之前讓其乾燥。準備好後，樣品就可以用拉曼儀器進行分析了。
在顯微鏡玻璃片上準備的金屬表面非常容易使用，因為除了在基板表面沉積少量幾微升的樣品並讓溶液乾燥外，不需要進行任何樣品製備。更進階的方法涉及對金屬進行某種沉積過程，然後可能對表面進行粗糙處理以獲得最佳的表面等離子體生成，從而提高SERS訊號。
第三種較少見的技術是將SERS基板嵌入凝膠中。這是透過在製備凝膠的過程中混合金屬奈米粒子，或者製備具有光反應性化學物質的凝膠，例如含有銀的化學物質，然後將凝膠基質暴露在合適的波長下，使化學物質發生反應並在原位形成奈米粒子來完成的。
選擇合適的SERS基板，取決您正在處理的樣品類型和形式。溶液中的樣品可以被沉積在基板玻璃片上，或者與膠體溶液混合，然後作為溶液進行分析，或者在分析之前使其乾燥。對於像細菌這樣的樣品進行分析，可能需要將樣品與膠體溶液混合，以便膠體可以與細菌相互作用，然後將樣品離心，倒掉上清液以去除不需要的成分，然後分析結果或重新懸浮細菌和膠體，以便輕鬆地將其沉積在玻璃片上。
對於那些開始在實驗室中實施SERS的人，我們建議進行一項快速簡便的測試，以確認您具有進行SERS分析所需的合適的金屬基板和雷射組合。BPE的溶液是一種理想的測試樣品，因為它具有非常明顯的SERS光譜，並且在使用膠體或金屬表面基板時均非常有效。使用像BPE這樣的標準溶液可以讓您熟悉實驗條件和取樣技術。當一切都正常工作時，您將會看到使用比常規拉曼更低的雷射功率時可以獲得最佳結果，功率可能是1 mW或更低。
先進的SERS技術可以涉及透過與簡單分子進行化學反應，並在金屬表面上創建一層表面層，透過引入聚合物層以適應不同的化學環境，或透過在金屬基板上添加功能化。功能化可能涉及或包括使用抗原來結合特定的抗體，這些修改增加了基板的特異性，使得對特定分析物或分析物的微區分辨解析成為可能。
使用SERS的挑戰
如先前提到的，選擇適合樣品的正確基板，是實施SERS最大的挑戰。最佳的SERS增強效果來自金屬和雷射的正確匹配。需要注意的是表面粗糙度特徵的大小。當雷射與金屬相互作用時，雷射產生表面等離子體，金屬的表面粗糙度特徵，影響表面等離子體的強度，和產生的增強效果。如果雷射和金屬沒有正確匹配，訊號將會很弱，雜訊很大，或者根本不會產生任何增強效果。圖4顯示了在銀基板上，使用不同波長雷射的結果。從圖中可以看出，所有的雷射都產生了基板的光譜，但是光譜的品質有明顯的差異。532奈米雷射光譜的雜訊更加大，並且有一些寬廣的特徵。633和780奈米的光譜變好許多，但整體而言，633奈米雷射對於這種基板來說是最佳的選擇，雜訊較少，訊號強度較高。表面粗糙度特徵的大小和形狀也會影響雷射波長。例如，不同直徑的球形膠體金需要不同的雷射波長以獲得最佳性能，一般趨勢是粒子直徑越大，雷射波長越長。
圖4. 不同波長下的雷射於BPE樣品SERS效應的光譜差異
若要製備自己的基板，在製備膠體時，必須確保玻璃器皿非常清潔，且使用超純水，並在製備膠體時注意反應條件，以確保達到適當的顆粒形成和尺寸。不適當的條件可能導致顆粒尺寸範圍差異過大，使它們對所選擇的雷射波長不夠敏感，最糟糕的情況下可能會出現污染或無膠體形成。在玻璃片上製備金屬表面可能涉及昂貴的設備和專業知識。最後，修改基板表面可能需要先進的化學或技術。
Thermo Fisher DXR3系列拉曼儀器與SERS
我們提供所有必要的工具，使SERS成為可靠和有效的技術，包括SERS基板、BPE標準溶液、設備、軟體和玻片樣品夾。這些物品與強大DXR3拉曼儀器相結合，就可以充分發揮SERS的潛力，輕鬆上手實驗。DXR3拉曼光譜儀提供了三種雷射波長選項，分別是532、633和780奈米，這為SERS基板提供了廣泛的選擇。DXR3拉曼儀器具有廣泛的雷射功率控制功能，在執行SERS分析時至關重要。DXR3拉曼光譜儀上的雷射功率被校準為樣品上的功率，並且雷射功率能以0.1 mW的單位就進行微調控制，從最大雷射功率輸出可降至0.1 mW。
玻片樣品夾，可用於固定多個SERS基板玻片，如圖5所示，它可與Thermo Fisher DXR3拉曼顯微鏡和DXR3 Smart Raman光譜儀配合使用。透過將玻片樣品夾與我們OMNIC軟體的Array Automation軟體附加組件結合，可以進行高通量的SERS分析。
圖5. 特製玻片樣品夾
結論
表面增強拉曼散射是一項強大的技術，它使您可以對現有樣品以新的方式使用拉曼，並打開了最初可能不適合拉曼的新樣品類型的大門。SERS分析可以很容易地與我們的Thermo Fisher DXR3拉曼顯微鏡或DXR3 Smart Raman光譜儀及配件結合使用。有關儀器設備、SERS基板、套件、其他產品的訊息，請聯繫我們。