金银纳米粒子用于SERS存在三个问题
SERS是表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scatting)的英文缩写,它是指一种特殊的拉曼散射现象,是指在一些特殊的材料表面,分子的拉曼散射光谱强度能得到非常显著的增强。拉曼散射光谱可以反应分子的结构信息,分子结构的任何微小变化都会非常敏感反映在拉曼散射光谱中,所以拉曼光谱可用来对物质进行结构分析,而这种散射光谱的显著的增强,能使人们可以更轻易地观察和利用拉曼散射光谱。可以说,正是由于表面增强拉曼散射现象的发现,拉曼散射光谱的应用才得到了前所未有的发展。
回顾SERS的历史,在20世纪80年代人们提出了在非SERS活性待测表面上沉积金属纳米结构(在早期被称为微岛)的“借力”概念。Van Duyne小组将“银岛”用在GaAs半导体表面以获得SERS信号(1983);Fleischmann小组(本文其中一位通信作者——田教授,在当时负责主要的实验工作)在Ag表面利用Ni和Co岛获取SERS信号(1987);Devine小组在不锈钢表面使用Ag岛来获得SERS信号(1991);后来,Tian小组论证了银聚合物系统中的SERS信号(1995)。自2002年以来,金属纳米粒子的合成技术已经非常成熟,很多研究小组都在金和银表面上沉积或者撒上自组装的单层的Au或者Ag纳米粒子用于SERS研究。但在该方向之前所有的方法都存在着三个固有的问题。
1.溶液接触。这个问题类似于之前提到的TERS中的问题。裸露的纳米粒子不适用于含有同种待测分子、其他分子或者能吸附在裸露金表面离子的液体(对于生物学和电化学来说)或者气体(对于催化来说)。哪怕在不含有待测分子的液体或者气体中,吸附在基底上的分子也有可能从待测基底扩散到裸露的金纳米粒子上。吸附在金纳米粒子上的分子的SERS信号会干扰或掩盖吸附在待测基底上的分子的信号。这是因为金纳米粒子比金的平面或者其他基底更有利于产生SPR,来自纳米粒子的信号最有可能在拉曼信号中占主导。
2.分子间接触。对于自主装单分子层(SAM)而言的,因为裸金纳米粒子的底部是与待测单分子层的末端官能团直接接触,如氨基(NH2),巯基(S)或者氯(Cl)等基团,位于粒子和基底间的分子最有可能采取两端吸附模式来取代一端吸附模式。这种直接接触模式很有可能会导致电子密度分布和吸附方式发生变化,并在一定程度上扭曲或者剧烈改变SERS谱图形貌。这样会对所记录数据产生错误的解释。在一些分子系统中,分子官能团与金纳米粒子的直接接触会加速分子的光催化反应,并导致分子结构发生变化甚至生成新的产物。
3.电接触。如果把这种方法推广到非币族金属、半导体或者非自组装单层分子系统,金纳米粒子就会与金属表面直接接触。金与基底之间费米能级的差异可能产生电荷转移和接触电势,进而会显著影响位于金纳米粒子下方的探针分子的电子结构。