SERS-表面增强喇曼散射

“表面增强拉曼散射”一般是指“表面增强喇曼散射”

表面增强拉曼散射 (surface enhancement of Raman scattering ),英文简称SERS。是在普通的拉曼散射的基础上发展起来的一种技术。1974年M.Fleishmann等人测量到了电化学池中经过几次氧化还原反应的银表面吸附吡啶分子的拉曼散射线。1976年R.P.Vandyne等证实了上述实验并推算出银表面吸附的吡啶的拉曼散射截面比纯吡啶的大1000000倍。[1]

表面增强喇曼散射

中文名
表面增强拉曼散射 展开
英文简称
SERS 展开
外文名
surface enhancement of Raman scattering 展开
发现时间
1974年 展开

1理论研究

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研究表明,Ag、Cu、Au等金属表面吸附不同的分子或离子如吡啶、氰离子、苯、Co、N、……(已有一二百种有机、无机分子和离子)时均发现拉曼散射截面有不同程度增强。增强效应与表面亚微观的粗糙程度有关。电子显微镜分析表明对于Ag,100纳米左右的不平整对增强效应最显著。除了分子振动谱增强之外还发现一个宽频带的连续背景。增强效应与激发激光的频率的关系尚无一致结果。
由于该效应发生于金属-吸附分子体系,而许多重要过程如多相催化、电化学及单层分子检测、表面研究等均与此有关。此外,根据理论估计,非线性光学过程也应有增强,这已被沈元壤等人的实验证实。

2理论模型

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提出的理论模型很多。如镜像场模型认为,光场在吸附分子上感应出电偶极子,在一定条件下使偶极辐射强度大大增强。调制反射理论认为,吸附分子的振动通过吸附分子和金属的相互作用,改变了金属表面电子的密度,从而调制了金属的反射率,造成“有频移的反射”,因而表现出散射强度大大增强。此外,还有共振增强模型、电子-空穴对激发模型、 受激散射模型等。所有这些模型均不能完美地解释全部实验。因此较多人认为表面增强效应是一个复杂过程,增强效应可能是几种因素的综合。
理论和实验都还在迅速发展着。除电化学池系统外,还在超高真空金属表面,胶体中金属颗粒表面以及用机械抛光造成粗糙的金属表面等实验中观察到增强拉曼散射效应,并指出除了物理的增强因素之外,还可能有化学增强的贡献。见光的散射。

参考资料:

1.

杨文胜,高明远,白玉白等. 纳米材料与生物技术. 化学工业出版社. 2005年4月. 19.

表面增强拉曼

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同义词 SERS一般指表面增强拉曼

表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,简称SERS),用通常的拉曼光谱法测定吸附在胶质金属颗粒如银、金或铜表面的样品,或吸附在这些金属片的粗糙表面上的样品。尽管原因尚不明朗,人们发现被吸附的样品其拉曼光谱的强度可提高10^3-10^6倍。主要用于吸附物种的状态解析等
中文名
表面增强拉曼
外文名
Surface-Enhanced Raman Scattering
简    称
SERS
应    用
吸附物种的状态解析等

目录

  1. 1 历史
  2. 2 效应
  3. 3 机理
  4. 4 进展
  5. 5 缺陷
Fleischmann 等人于1974 年对光滑银电极表面进行粗糙化处理后,首次获得吸附在银电极表面上单分子层吡啶分子的高质量的拉曼光谱。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,Van Duyne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,指出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应,被称为SERS 效应。
表面增强拉曼散射( SERS) 效应是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中,在激发区域内,由于样品表面或近表面的电磁场的增强导致吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射(NRS) 信号大大增强的现象。
表面增强拉曼克服了拉曼光谱灵敏度低的缺点, 可以获得常规拉曼光谱所不易得到的结构信息, 被广泛用于表面研究、吸附界面表面状态研究、生物大小分子的界面取向及构型、构象研究、结构分析等, 可以有效分析化合物在界面的吸附取向、吸附态的变化、界面信息等。
学术界普遍认同的SERS机理主要有物理增强机理和化学增强机理两类。
电磁场增强( Electromagnetic enhancement, EM)机理:表面等离子体共振( Surface plasmon resonance, SPR)引起的局域电磁场增强被认为是最主要的贡献,表面等离子体是金属中的自由电子在光电场下发生集体性的振荡效应。由于Cu, Ag和Au 3种IB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能量转化为热等, 从而趋向于实现高效SPR散射过程。
化学相互作用主要表现为Raman过程中光电场下电子密度形变难易程度。当分子化学吸附于基底表面时, 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。
SERS 和其它技术一样,既有它的优势也存在缺点和不足,科学工作者们主要从以下几个方面弥补其缺点与不足,拓宽SERS 的应用范围。
多种技术联用:可以检测和鉴别分离产物的
SERS 和色谱联用技术,利用光纤技术,将SERS 材料组装到光纤上,作为高灵敏的检测传感器。
单晶电极表面的拉曼光谱研究:表面结构完全确定的单晶SERS 效应为解释粗糙表面的SERS 效应提供极为重要的信息,特别是表面分子取向和吸附位。
新型SERS 活性基底:SERS 基底的制备一直是SERS 技术最重要的研究领域,而且对于扩大SERS 的研究范围和应用领域起着重要的作用。利用日益成熟的纳米材料的制备技术,已经可以获得颗粒形状和大小可以很好控制的纳米颗粒,并将其作为模型材料来研究SERS 的增强机理。
针尖增强拉曼散射光谱(TERS)可以解决SERS的应用受到材料,形态和分子通用性的限制。TERS采用尖锐的尖端,由Au或Ag组成或涂有Au或Ag。在一些情况下,Au或Ag纳米颗粒或纳米结构可以附着到AFM或SFM探针,尖端在合适的激发源激发下产生局部增强的电磁场。增强的电磁场可以将吸附的探针分子和表面的拉曼信号增强多达六个数量级。
仅有金、银、铜三种金属和少数极不常用的碱金属(如锂、钠等) 具有强的SERS 效应,将SERS 研究拓宽到金、银、铜以外的金属体系的研究长期没有取得具有实际意义的进展。金、银、铜金属尚需表面粗糙化处理之后才具有高SERS 活性,故表面科学界所常用的平滑单晶表面皆无法用SERS 研究。实验上所观察到的很多复杂现象尚无法用现有的SERS 理论进行解释。
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