表面增强拉曼光谱

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表面增强拉曼光谱或表面增强拉曼散射(SERS)是一种表面是一种表面敏感技术,可以增强吸附在粗糙金属表面或纳米结构上的分子的拉曼散射,如质子-磁性硅纳米管。 可以达到1010到1011的增强系数,这意味着该技术可以检测到单个分子。 1973年,英国南安普顿大学化学系的MartinFleischmann、PatrickJ.Hendra和A.JamesMcQuillan首次观察到吸附在电化学粗糙化银上的...
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简介

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表面增强拉曼光谱或表面增强拉曼散射(SERS)是一种表面是一种表面敏感技术,可以增强吸附在粗糙金属表面或纳米结构上的分子的拉曼散射,如质子-磁性硅纳米管。

可以达到1010到1011的增强系数,这意味着该技术可以检测到单个分子。

历史

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1973年,英国南安普顿大学化学系的Martin Fleischmann、Patrick J. Hendra和A. James McQuillan首次观察到吸附在电化学粗糙化银上的吡啶的SERS。

1977年,两个小组独立声明散射物种的浓度不能解释增强的信号,并各自提出了观察到的增强的机制。他们的理论仍然被认为是对SERS效应的解释。

Jeanmaire和Richard Van Duyn提出了一种电磁效应,而Albrecht和Creighton提出了一种电荷转移效应。橡岭实验室健康科学研究部的Rufus Ritchie预测了表面等离子体的存在。

机制

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SERS增强效应的确切机制在文献中仍有争议。有两种主要的理论,尽管它们的机制有很大的不同,但在实验上并不能直接区分它们。

电磁理论提出了局部表面质子的激发,而化学理论则提出了电荷转移复合体的形成。

化学理论是基于共振拉曼光谱,其中入射光子能量电子转变的频率重合(或共振),xxx增强了拉曼散射强度。

2015年对SERS技术的一个更强大的扩展的研究,称为SLIPSERS(滑液注入多孔SERS),进一步支持电磁理论。

电磁理论

特定表面上的吸附材料的拉曼信号强度的增加是由于表面提供的电场的增强。当实验中的入射光线照射到表面时,局部的表面质子被激发。

当质子频率ωp与辐射发生共振时,电场的增强是xxx的(ω = ω p / 3 {对于球形粒子, displaystyle omega = omega _{p}/{sqrt {3}}})。

为了发生散射,质子振荡必须垂直于表面;如果它们与表面在一个平面上,散射就不会发生。

正是由于这一要求,粗糙的表面或纳米粒子的排列经常被用于SERS实验,因为这些表面提供了一个可以发生这些局部集体振荡的区域。

即使受激发的分子远离承载金属纳米粒子的表面,也会发生SERS增强,这使得表面等离子体现象成为可能。

入射到表面的光可以激发表面的各种现象,然而由于表面的特征比光的波长小得多,这种情况的复杂性可以降到最低,因为只有双极贡献会被系统识别

双极项对质子振荡的贡献导致了增强。SERS的效果如此明显是因为场增强发生了两次。

首先,场增强放大了入射光的强度,这激发了被研究分子的拉曼模式,因此增加了拉曼散射的信号。然后,由于激发入射光的相同机制,拉曼信号被表面进一步放大,导致总输出的更大增加。

在每个阶段,电场被增强到E2,总的增强是E4。

表面增强拉曼光谱

这种增强对所有的频率来说是不一样的。对于那些拉曼信号与入射光线只有轻微偏移的频率,入射激光和拉曼信号都可以与质子频率接近共振,导致E4的增强。

当频移较大时,入射光线和拉曼信号都不能同时与ωp发生共振,因此在两个阶段的增强都没有达到xxx。

表面金属的选择也是由质子共振频率决定的。可见和近红外辐射(NIR)被用来激发拉曼模式。

银和金是SERS实验的典型金属,因为它们的质子共振频率落在这些波长范围内,为可见光和近红外提供了xxx的增强。

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  1. 简介
  2. 历史
  3. 机制
  4. 电磁理论

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