拉曼光譜（Raman spectra）是一種散射光譜，由1928年印度物理學家C.V.Raman發現的。拉曼效應來源于分子振動（和點陣振動）與轉動，從拉曼光譜中可以得到分子振動能級（點陣振動能級）與轉動能級結構的信息，其譜圖中包含的大量信息：拉曼位移的大小、強度及拉曼峰形狀，半高寬等都是是鑒定化學鍵、官能團、結晶度、應變的重要依據。拉曼光譜以其信息豐富、制樣簡單、水的干擾小等獨特優點，在化學、材料、物理、高分子、生物、醫藥、地質等領域有著廣泛的應用。

隨著科學發展的不斷進步，普通的拉曼光譜技術已經不能滿足研究需求，為此科學家們不斷給拉曼光譜開外掛，發展了電化學原位拉曼光譜技術、受激拉曼散射（SRS）和表面增強拉曼散射（SERS）等，這些增強的技能讓拉曼光譜在分子水平上現場表征、無標記生物醫學成像、結構可視化等方面不斷為科研人員做出神助攻。

本文將主要介紹這三種開掛的拉曼光譜技術：電化學原位拉曼光譜技術、受激拉曼散射（SRS）和表面增強拉曼散射（SERS），并從Science和其他優秀期刊中選取幾篇具有代表性的工作對其相關應用進行介紹。

【簡介】

表面增強拉曼散射效應是指在特殊制備的一些金屬良導體表面或溶膠中，在激發區域內，由于樣品表面或近表面的電磁場的增強導致吸附分子的拉曼散射信號比普通拉曼散射信號大大增強的現象，克服了拉曼光譜靈敏度低的缺點，可以獲得常規拉曼光譜所不易得到的結構信息。

受激拉曼散射是指高強度的激光和物質分子發生強烈的相互作用，使散射過程具有受激發射的性質，這種散射光是拉曼散射光，所以這一種非線性光學效應稱受激拉曼散射。

電化學原位拉曼光譜法是利用物質分子對入射光所產生的頻率發生較大變化的散射現象將單色入射光（包括圓偏振光和線偏振光）激發受電極電位調制的電極表面，通過測定散射回來的拉曼光譜信號（頻率、強度和偏振性能的變化）與電極電位或電流強度等的變化關系。一般物質分子的拉曼光譜很微弱，為了獲得增強的信號，可采用電極表面粗化的辦法，可以得到強度高104-107倍的表面增強拉曼散射。

一、原位拉曼光譜技術研究鉑單晶表面電催化ORR機理[1]

廈門大學的李劍鋒教授和西班牙Alicante大學的Juan Miguel Feliu等人，采用原位電化學殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜（SHINERS）系統地研究了Pt（hkl）單晶表面的ORR反應過程。該研究在Pt（111）單晶表面獲得了ORR中間物種HO2*的光譜信號，在Pt（110）和Pt（100）單晶表面，獲得了ORR中間物種OH*的光譜信號。而在堿性條件下，他們在Pt（hkl）三個基礎單晶表面獲得ORR過程的中間物種O2-的光譜信號。基于原位拉曼光譜實驗數據和DFT理論模擬結果，他們認為在酸性條件下，當溶液中的O2分子吸附在Pt（hkl）單晶電極上形成吸附態的O2*后，經過質子電子轉移步驟形成HO2*物種，HO2*再進一步通過O-O鍵的斷裂在鄰近Pt原子上形成一對吸附態的O*和OH*，最后OH*通過質子電子轉移形成H2O。

圖1. 酸性條件下，Pt（hkl）單晶表面ORR過程分析和Pt（111）單晶表面ORR過程的原位SHINERS研究及HO2*物種的DFT理論模擬

圖2. 堿性條件下，Pt（hkl）單晶表面ORR過程的原位電化學SHINERS光譜圖

本研究不僅獲得了Pt（hkl）表面ORR反應過程中間物種的原位光譜信息，提出了合理的ORR機理，SHINERS技術為原子級平滑的單晶表面的催化過程的研究和其他界面催化反應過程的原位光譜研究提供了一種有效而可靠的原位光譜途徑。

二、表面增強共振拉曼散射用于高精度癌癥成像[2]

因為癌癥能擴散滲透到周圍的組織，且大多數癌癥的擴散邊界不能被清晰地劃分，所以可視化癌癥的擴散程度一直是腫瘤學領域的重大挑戰。此外，癌癥可能是多灶性的并且存在微觀衛星病變，容易持續存在、局部復發和轉移擴散，現有的成像技術不可能將其可視化。但是臨床和手術需要一種揭示腫瘤真實擴散程度的成像方法，Stefan等人使用新一代表面增強共振拉曼散射（SERRS）納米粒子（稱為SERRS納米星）顯示腫瘤邊緣，做到局部區域腫瘤擴散的精確可視化。SERRS納米星具有星形金核，在近紅外光譜中有拉曼共振，且不引入雜質。在基因修飾的小鼠模型中，以及一種人肉瘤異種移植模型中，SERRS納米星能夠準確檢測到胰腺癌、乳腺癌、前列腺癌和肉瘤等肉眼可見的惡性病變以及其他顯微疾病，而無需靶向部分。此外，SERRS納米星的靈敏度（1.5 fM檢測限）允許對胰腺和前列腺腫瘤的癌前病變進行成像。高靈敏度和廣泛的適用性，結合其惰性金-二氧化硅組合物，使SERRS納米星成為一種有前景的成像劑并應用于更精確的癌癥成像和癌癥切除。

圖3. 小鼠模型中的乳腺癌成像

AB圖是右上胸腺和右下胸腺中形成兩個相鄰的腫瘤，C圖是沿著白色虛線切除腫瘤后切除床的光學圖像和拉曼成像。未切除腫瘤時，抗PEG IHC染色顯示腫瘤中存在SERRS納米星，從拉曼成像中也能清晰直觀的看到殘留的腫瘤部分，與切除后PyMT染色顯示的殘留腫瘤位置形狀等高度吻合。

SERRS納米星是一類新的分子成像劑，能夠描繪原發腫瘤，尺寸小至100微米的局部腫瘤沉積以及癌前病變。而且文中對相關動物模型的研究發現，無論在癌癥哪個階段這都是可行的。所以將拉曼成像有望被用于腫瘤學的臨床應用：改進圖像引導腫瘤切除，使用拉曼內窺鏡進行早期癌癥檢測，更深層組織的非侵入性成像。

三、表面增強拉曼光譜研究電化學中膜的氧化機理[3]

早在1998年，Casado 等就研究了一系列在不同陽極電勢下被電化學氧化的α-α‘-2-甲基-噻吩低聚體膜的振動光譜，結合電子吸收數據，近紅外拉曼光譜表明在氧化的低聚物中存在自由基陽離子。利用摻雜誘導帶的鏈長分布闡明了這些低聚噻吩基中帶電缺陷的大小。

圖4. 不同的氧化電位下DMQq的傅里葉拉曼光譜

四、受激拉曼散射顯微鏡實現高靈敏度的無標記生物醫學成像[4]

無標記化學對比在生物醫學成像中非常重要。普通的拉曼顯微鏡雖然能提供化學鍵的特定振動特征，但靈敏度低。而基于受激拉曼散射（SRS）的三維多光子振動成像技術通過施加高頻（兆赫）相敏檢測，能夠實現極高的靈敏度，圖像無背景且化學對比度易于解釋。可在生物醫學中應用，例如區分活細胞中ω-3脂肪酸和飽和脂質的分布，基于內在脂質對比的腦和皮膚組織成像，監測通過表皮的藥物遞送等。

圖5. SRS原理與設計，及其與普通拉曼成像的相關對比。

圖6. a. DHA, EPA, AA,OA的普通拉曼光譜，b. 脂滴（LD，紅線）和細胞核內區域（藍線）的SRL光譜，c. 2920cm-1處細胞的SRL圖像，d. 3015cm-1處相同細胞的SRL圖像。

圖7. 小鼠組織SRL成像

小鼠腦胼胝體神經元髓鞘、腦組織、耳朵、皮膚等處-CH2 的SRL成像十分清晰，且組織中的自發熒光不會干擾SRS，與CARS成像比較，SRL成像沒有非共振背景，更加直觀利于解析。

五、拉曼掃描電子顯微鏡（RISE）成像[5]

隨著各類研究的深入，科研人員對表征技術的要求也越來越多樣化，不同的表征技術相互結合相互補充，做到1+1>2的現象也越來越多。有的儀器公司已經將拉曼成像和掃描電子顯微鏡結合，推出了拉曼掃描電子顯微鏡。這是一種無標記的非破壞性技術，可以用于識別樣品的分子組成并成像。SEM使樣品的表面結構可視化，其相關的能量色散X射線光譜學能識別元素成分，但難以表征物質的化學結構，而拉曼可以對分子結構進行分析，將兩種技術集成到一起能夠大大加快實驗進程。拉曼掃描電子顯微鏡是將拉曼顯微鏡所需的物鏡和樣品臺放置在SEM的真空室內，用極其精確的掃描軟件驅動機制在拉曼和SEM測量位置之間轉移樣品。可用于納米技術，生命科學，地球科學，制藥和材料研究等領域。

圖8. 拉曼掃描電子顯微鏡

常見的還有拉曼與AFM，氣相、液相色譜聯用，有興趣的同學可以深入了解一下。

【結語】

拉曼光譜應用前景可期

表面增強拉曼和共焦顯微拉曼光譜等新拉曼技術，解決了拉曼光譜在早期應用中存在的很多問題，如熒光干擾、固有靈敏度低等，而且近年來先進激光器的發展和其他光譜技術的不斷革新，與氣相、液相色譜，SEM/AFM等儀器的聯用拓寬了拉曼光譜的應用范圍，使其在研究分子微觀動力學，蛋白質構相，超導體等方面發揮了重要作用。

隨著納米科學技術的迅速發展，各類制備不同納米顆粒以及二維有序納米圖案的技術和方法將日益成熟，人們可以比較方便地在理論的指導下，尋找在過渡金屬上產生強SERS效應的最佳實驗條件。這些突破無疑將為拉曼光譜技術的廣泛應用開創新局面。總之，通過摸索合適的表面處理方法并采用新一代高靈敏度的拉曼譜儀，可將拉曼光譜研究發展成為一個適用性廣、研究能力強的表面（界面）譜學工具，同時推動有關表面（界面）譜學理論的發展。[6]