引言
1928年，印度物理学家拉曼首次发现单色光透过CCl4液体后散射光的频率发生变化的现象[1]，这种散射光与入射光频率不同的现象被称为拉曼散射。
1974年英国科学家Fleischmann[1]等人在电化学粗糙的微纳米结构的Ag电极上得到高质量的吡啶的拉曼信号。为了增强散射强度，他们将银电极进行了多次氧化一还原处理，以增加电极表面的粗糙化度，结果得到了增强的散射信号，但是他们并没有意识到这是一种新的现象，而是将所观察到的现象简单地归因于较大的吸附表面增加了吸附分子数目。1977年Van Duyne[2]和Creighton[3]等人系统研究了相同体系，排除了分子浓度增加因素和共振效应后指出：5-6个数量级的增强是来自一种与粗糙的电极表面相关的表面增强效应。该发现公布后，引起了科学界的广泛兴趣，并把这一现象命名为表面增强拉曼散射，简称SERS。
SERS主要是纳米尺度的粗糙表面或颗粒体系所具有的异常光学增强现象，它可以将吸附在材料表面的分子的拉曼信号放大约106倍，对于特殊的纳米量级粒子形态分布的基底表面，信号的增强甚至可以高达1014倍，可以区分同分异构体、表面上吸附取向不同的同种分子等，因此在探测器的应用和单分子检测方面有着巨大的发展潜力。已广泛应用于环境，食品，化工，生物等领域。
1. 微生物研究
传统的微生物检测鉴定方法是根据菌落的形态及其生理生化反应来判断的，但是该方法通常耗时耗力，涉及的实验较多，需要经过繁琐和复杂的操作过程，特别是对于一些表观特征相似的微生物很难实现准确识别。虽然利用免疫学、分子生物学及遗传学方法鉴别微生物的技术具有较高的特异性、灵敏性和准确性，但通常此类技术操作较复杂，对人员要求较高，在常规实验室中难以实现广泛应用。
表面增强拉曼散射光谱技术作为一种快速、简便、准确、高效和无损的创新型工具，已经广泛地应用于病原微生物的检测与鉴定。Mirkin小组[4]制备了多种SERS纳米粒子标记的核酸探针，采用核酸分子杂交技术同时检测了A型肝炎、B型肝炎、艾滋病等六种病原微生物。Van Duyne小组[5]采用SERS传感器快速检测炭疽热生物标志物。与此同时，Driskell[6]等人则将免疫学的技术应用于SERS的测定中，使待测的基质形成一种由金纳米颗粒，病毒的抗体和硫酸盐等组成的三明治结构，这些创新的方法可以在很大程度上提高仪器检测的灵敏度和特异性，并且通过银纳米柱阵列为基底的SERS分析区分了腺病毒(Adenovirus)、鼻病毒(Rhinovirus)和人体免疫缺陷病毒(Human immunode—feiency virus，HIV)以及流感病毒的不同菌株。Kahraman[7]等将大肠杆菌、革兰氏阴性布氏杆菌、金色葡萄球菌和革兰氏阳性球菌等细菌和纳米银采用对流组装成有序结构，用表面增强拉曼散射方法对上述病原菌结构进行检测。Jarvis[8]等把纳米金沉积在细胞内，通过表面增强拉曼散射检测了Geobacter sulfurreducens细菌。成汉文[9]等以PVP为黏合剂将纳米金颗粒组装到表面打磨光滑的金基底上，用于检测芽孢杆菌，发现特征峰的SERS强度和芽孢杆菌浓度之间的关系呈现出了两个线性区域，即低浓度区域（<0.01 mg/L)和高浓度区域(>l mg/L)。
2. 化学污染物研究
2.1农药残留检测
农药（Pesticides）主要是指用来防治危害农林牧业生产的有害生物（害虫、害螨、线虫、病原菌、杂草及鼠类）和调节植物生长的化学药品，在农业生产上起到了一定的积极作用，但农药大量使用不仅造成环境污染问题目益加重，而且食品中农药残留严重危害人体健康。加强对农药残留的检测研究对于合理使用农药、保护环境和保障人类健康具有重要的意义。检测方法要求具有精细的操作手段、较高的灵敏度和较强的特异性。
目前人们利用表面增强拉曼光谱开展了农药残留检测方面的工作。2003年，Shende[10]等采用表面增强拉曼光谱法对食品中残留量较高的十种农药进行了研究，用甲醇将各种农药配置成不同浓度，检测能达到mg/L的浓度范围，再模拟喷洒到苹果上，3h干燥后擦拭苹果表面对表面农残进行提取检测，整个检测过程不超过5min。周小芳[11]等用傅里叶变换拉曼光潜仪(激发波长为1064nm)测定梨、香蕉、苹果等常见水果中常用农药的特征拉曼光谱，结果表明拉曼光谱能同时显示出水果和农药的特征谱，从而可以判断出水果表面的各种农药。Lee[12]等采用共聚焦表面增强拉曼光谱在三维聚二甲基硅氧烷微流控通道里定量检测甲基对硫磷杀虫剂，检测下限达到0.1 mg/L。Sanchez-Cortes研究小组[13]首次采用表面增强拉曼技术对机氯农药－硫丹进行检测，检测下限为20μg/L。主要以光泽精二阳离子作为组装分子，将硫丹与纳米银颗粒结合起来从而产生SERS信号。Strickland小组[14]采用在金纳米棒上修饰环糊精内包复合物，采用表面增强拉曼光谱方法检测苯并咪唑类杀菌剂多菌灵。采用偏最小二乘法进行定量分析，结果表明这种SERS传感器能准确检测50μmol/L的多菌灵。
2.2多环芳香烃检测
多环芳香烃(PAHs)是指具有两个或两个以上苯的一类有机化合物。是一类致癌性很强的环境污染物。烟草烟雾，汽车尾气，石油蒸馏物，煤炭，木材，油等的不完整燃烧等均可能产生导致多环芳香烃(PAHs)广泛存在于水，空气，大气，土壤以及食物中，造成食品的直接或者间接污染。另外，加工工艺的不合理也会造成食品中多环芳香类物质的污染，如烟熏、烘烤，脂肪的高温分解等。多环芳香烃分析主要有气相色谱(GC)、气相色谱一质谱联用(GC—MS)和高效液相色谱(HPLC)等分析手段。而近年来，表面增强拉曼光谱对其研究检测报道也越来越多。
Schmidt小组[15]报道了一种SERS传感器，可在户外现场检测海水中六种多环芳香烃。这种SERS传感器基底制备采用银胶体包覆在硅溶胶－凝胶膜中，检测限与多环芳香烃的分子量及溶解性有关，检测限范围在μg/L至ng/L之间，采用后向光散射模式可以避免浊度小于1200 NTU的悬浮颗粒物的干扰。Sanchez-Cortes小组[16]采用金属性单壁碳纳米管作为纳米银表面和待测物芘之间的化学组装体，在514.5 nm的激发光激发下，根据所产生的SERS信号，能检测到最低浓度为10-9 mol/L的芘。他们采用理论计算证明芘－碳纳米管之间通过π－π电子堆积发生了反应，纳米管-芘的距离为3.4Å，芘最有可能的方向是为平面平行于碳纳米管表面方向。随后，Sanchez-Cortes小组[17]又报道了二硫代氨基甲酸盐杯芳香烃修饰的纳米银与多环芳香烃结合时产生SERS效应，并据此检测多环芳香烃芘、苯并菲、三亚苯和苯晕，通过分析的结果，亲和常数和检测限，能够推导出各污染物。2009年，Guerrini等[18]报道了基于紫罗碱二阳离子在纳米银颗粒之间形成的空穴捕获多环芳香烃时产生很强的SERS信号的纳米传感器。Guerrini比较了不同的紫罗碱二阳离子（光泽精、敌草快和百草枯）对芘和苯并菲的检测作用，发现光泽精修饰的纳米银所提供的纳米传感器最稳定、信号最好，采用SERS信号在宏观装置中能检测芘的最小浓度可达10-9 mol/L。除此之外，SERS光谱也能为紫罗碱二阳离子与多环芳香烃反应的机理提供重要的结构信息，结果表明，在紫罗碱二阳离子与多环芳香烃之间形成了电荷转移复合物。Haynes小组[19]研究了一种SERS传感器检测多环芳香烃蒽和芘的方法。采用葵硫醇自组装膜修饰的纳米银/银膜（AgFON）基底，利用葵硫醇自组装分散层对多环芳香烃的预浓缩作用，从而在AgFON上产生很强的SERS信号从而对蒽和芘进行检测。该传感器所用的基底可以重复使用，增强因子为2.5×106，检测蒽和芘的最低检测限分别为300 pmol/L和700 pmol/L。
2.3三聚氰胺检测
三聚氰胺（Melamine），是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，是重要的氮杂环有机化工原料。最主要的用途是作为生产三聚氰胺甲醛树脂（MF）的原料。三聚氰胺还可以作阻燃剂、减水剂、甲醛清洁剂等。自2008年发现婴儿因食用三鹿奶粉而出现肾结石的事件，使得三聚氰胺频繁出现在公共视野。随之学者大量研究其快速检测。
邹明强等[20]发明一种用于液态奶中三聚氰胺现场快速检测的表面增强拉曼光谱法，在250～2300cm-1的范围内进行拉曼光谱扫描检测获得拉曼光谱图，根据三聚氰胺的700±4cm-1处拉曼光谱信号的相对强度与三聚氰胺含量的线性比例关系，对液态奶样品中三聚氰胺进行现场快速的定量和定性检测，检测限为2mg/L。王锭笙等[21]以三聚氰胺分子为探针分子，银胶为SERS基底，拉曼光谱表明银纳米粒子和三聚氰胺发生的吸附作用明显，三聚氰胺的四个较强振动峰有4-9cm-1的频移和强度比变化较大。该方法中三聚氰胺最小检测量达到了6×10-12g，可实现三聚氰胺的亚单分子层检测水平，该检测方法简便快捷，如果结合奶粉或食品中三聚氰胺的固相萃取技术，将可以应用于三聚氰胺的现场快速定性、半定量检测。
3. 展望
表面增强拉曼检测技术是一个可应用于多领域的切实可行的光学技术。作为一种分析检测手段，SERS相对于其他方法的明显优势主要体现在以下三个方面：1超灵敏性：SERS的信号增强最高可以达到1014～1015倍，因此其灵敏度不低于任何其他方法，在单分子检测方面具有很强的优势；2高选择性：表面选择定则和共振增强的选择性使得SERS可以在极其复杂的体系中仅仅增强目标分子或基团，得到简单明了的光谱信息；3检测条件温和：SERS光谱可以方便地用于水溶液体系，而且样品可以是固态、液态和汽态。同时具有准确、灵敏、检测时间迅速等优点。目前，该技术正在表现出在化学及工业、环境科学、食品安全领域的现场快速检测微量化学物的优越能力。预计不久的将来，这一检测技术必将在更多领域中得到应用。
参考文献
[1]Fleischmann M,Hendra P J and Mcquillan A J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode[J]. Chemical Physics Letters,1974,26(2):163~166.
[2]Jeanmaire D L and Van Duyne R P. Surface Raman spectroelectro chemistry:PartI. Heterocyclic,aromatic,and aliphatic amines adsorbed on the anodized silver electrode[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry,1977,84(1):1-20.
[3]Albrecht M G and Creighton J A. Anomalously intense Raman spectra of pyridine at a silver electrode[J]. Journal of the American Chemical Society,1977,99(15):5215-5217.
[4] Charles Cao Y W,Jin R,Mirkin C A. Nanoparticles with Raman spectroscopic fingerprints for DNA and RNA detection[J]. Science,2002,297(30):1 536~1 540.
[5] Zhang X,Young M A,Lyandres O,et al. Rapid Detection of an Anthrax Biomarker by Surface-Enhanced Raman Spectroscopy[J]. Journal of American Chemical Society,2005,127:4 484~4 489.
[6] Driskell J D,Kwarta K M,Lipert R J,et al. Low-Level Detection of Viral Pathogens by a Surface-Enhanced Raman Scattering Based Immunoassay[J]. Analytical Chemistry,2005,77:6147~6154.
[7]Kahraman M,Yazici M M,Sahin F,et al. Convective assembly of bacteria for surface-enhanced Raman scattering[J]. Langmuir,2008,24,894~901.
[8]Jarvis R M,Law N,Shadi I T,et al. Surface-enhanced Raman scattering from intracellular and extracellular bacterial locations[J]. Analytical Chemistry,2008,80,6741~6746.
[9]成汉文,宦双燕,吴海龙,等. 表面增强拉曼散射用于芽孢杆菌生物标志物的灵敏检测[J]. 分析化学. 2009,37(z1):B134
[10]Shende C,Gift A,Inscore F,et al. Inspection of pesticide residues on food by surface-enhanced Raman spectroscopy [C]. Monitoring Food Safety,Agriculture and Plant Health,2004,5271:28~34.
[11]周小芳,方炎,张鹏翔,等. 水果表面残留农药的拉曼光谱研究. 光散射学报[J],2004, 16(1): 11～14.
[12]Lee D,Lee S,Seong G H,et al. Quantitative analysis of methyl parathion pesticides in a poly- dimethylsiloxane microfluidic channel using confocal surface-enhanced Raman spectroscopy[J]. Applied Spectroscopy,2006,60: 373~377.
[13]Guerrini L,Aliaga A E,Carcamo J,et al. Functionalization of Ag nanoparticles with the bis- acridinium lucigenin as a chemical assembler in the detection of persistent organic pollutants by surface-enhanced Raman scattering[J]. Analytica Chimica Acta,2008,624,286~293.
[14]Strickland A D,Batt C A. Detection of carbendazim by surface-Enhanced Raman scattering using cyclodextrin inclusion complexes on gold nanorods[J]. Analytical Chemistry,2009,81:2 895~2903.
[15]Schmidt H,Ha N B,Pfannkuche J,et al. Detection of PAHs in seawater using surface-enhanced Raman scattering(SERS)[J]. Marine Pollution Bulletin,2004,49:229~234.
[16]Leyton P,Gomez-Jeria J S,Sanchez-Cortes S,et al. Carbon nanotube bundles as molecular assemblies for the detection of polycyclic aromatic hydrocarbons[J]. Journal of Physical Chemistry B,2006,110:6 470~6 474.
[17]Guerrini L,Garcia-Ramos J V,Domingo C,et al. Sensing Polycyclic Aromatic Hydrocarbons with Dithiocarba- mate-Functionalized Ag Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering[J]. Analytical Chemistry, 2009,81:953~960.
[18]Guerrini L,Garcia-Ramos J V,Domingo C,et al. Nanosensors based on viologen functionalized silver nanoparticles few molecules surface-enhanced Raman spectroscopy detection of polycyclic Aromatic Hydrocar- bons in Interparticle Hot Spots[J]. Analytical Chemical, 2009,81:1418~1425.
[19]Jones C L,Bantz K C,Haynes C L. Partition layer-modified substrates for reversible surface-enhanced Raman scattering detection of polycyclic aromatic hydrocarbons[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry,2009,394:303～311.
[20]邹明强,张孝芳,马寒露,等. 用于液态奶中三聚氰胺现场快速检测的拉曼光谱法及试剂盒[P]. CN101477051.
[21]王锭笙,李学铭,董鹍,等. 亚单分子层三聚氰胺的便携式拉曼检测[J]. 光散射学报,2008，20(4):379～383.
江阴市产品质量监督检验所 汪仕韬