表面增强拉曼光谱（SERS）原理详解及应用案例分享
2026-07-22 来源:本站 点击次数:8
表面增强拉曼光谱（SERS）
一、 什么是SERS？
SERS是一种基于拉曼散射的超高灵敏度光谱分析技术。它通过将分子吸附在特定纳米结构（通常是金、银等贵金属）表面，使分子的拉曼信号获得百万倍甚至亿倍以上的增强。该技术自1974年被发现以来，已发展至能实现单分子级别的检测，并能提供分子的“指纹”振动光谱信息。
二、 SERS的核心原理
SERS的增强效应主要源于两种机制的协同作用：
1.电磁场增强机制（主导）：当激发光照射到粗糙的金属纳米结构（如金、银纳米颗粒）时，会激发出局域表面等离激元共振。这使得纳米结构间隙（被称为 “热点” ）处的电磁场强度急剧提升。处于该“热点”区域的分子，其拉曼散射信号因此被极大放大，这是SERS具有超高灵敏度的物理基础。电磁增强可贡献10⁶~1014倍的增强因子。
2.化学增强机制（次要）：分子与金属表面发生吸附或电荷转移，改变了分子的电子云分布和极化率，从而增强其拉曼散射截面。虽然化学增强的贡献较小（通常为10¹~104倍），但它能为光谱提供丰富的化学信息，并具有选择性。
三、SERS的主要应用领域
1.表界面与催化研究
2.生物医学与临床诊断
3.体外检测
4.活体成像与术中导航
5.食品安全与环境监测
6.公共安全与毒品快检
7.新型材料科学
四、论文分享
集美大学针对牛奶中金黄色葡萄球菌的食品安全检测难题，开发了一种将SERS技术与PCR扩增相结合的新型生物传感器，并引入了机器学习进行辅助分析。[1]
其核心思路是：先利用PCR技术对目标菌的特异性基因（nuc T）进行扩增，以增加目标物的数量；随后，利用I⁻和Mg²⁺介导的双金属金银纳米花结构产生强烈的纳米间隙“热点”，直接捕获并放大扩增后基因的SERS信号，从而实现了无需荧光标记的直接检测。为了提升定量准确性，研究者对比了多种机器学习算法，其中Bootstrap软收缩偏最小二乘法表现最佳，获得了良好的预测精度。
宁波大学针对慢性阻塞性肺疾病标志物IL-6的检测需求，设计并制备了一种新型复合SERS基底，其核心创新在于电磁增强与化学增强的协同设计。[2]
基底结构为三层：以粗糙的g-C₃N₄为载体，中间层是RGO@MoS₂复合材料，利用RGO的高比表面积和MoS₂的优异电荷转移能力提供化学增强，并有效吸附目标分子；最外层是溅射的银纳米颗粒，提供高密度的电磁场 “热点”，实现电磁增强。这种双重增强机制使得该基底对模型分子R6G的检测限达到了纳摩尔级（10⁻⁹ M），展现了极高的灵敏度。
该工作的意义在于，通过合理的材料组合，为无标记检测蛋白质类生物标志物提供了一种高性能SERS平台策略，有望应用于临床疾病的早期诊断。
加纳原子能委员会针对动物源性食品中诺氟沙星残留的检测需求，开发了一种内置式SERS-Au@Ag纳米传感器，并结合遗传算法优化的偏最小二乘（GA-PLS）建模，实现了鱼肉中该抗生素的快速、灵敏定量检测。[3]
其关键性能如下：在加标鱼肌肉样本中，检出限低至2.36 × 10⁻⁵ μg/mL，远低于欧盟设定的100 μg/kg最高残留限量，灵敏度远超监管要求。回收率在99.70%–105.00%之间，变异系数低于5.21%，表明方法准确且重现性好。GA-PLS模型预测速度快（仅需4秒），且RPD值大于3，模型稳健可靠。
该工作的亮点在于将高灵敏SERS基底与化学计量学算法紧密结合，不仅解决了诺氟沙星残留的快速筛查问题，还为其他兽药残留检测提供了一种可借鉴的快速定量分析策略，具有实际的商业应用潜力。
江苏大学针对食品污染指示菌金黄色葡萄球菌的检测，开发了一种滚环扩增辅助的SERS生物传感器。其核心思路结合了适配体识别、滚环扩增信号放大和SERS检测三个模块。[4]
具体原理是：利用适配体与其互补链的结合，将识别元件固定在磁性微球表面。当目标菌存在时，适配体优先与菌结合，导致互补链脱离，从而触发滚环扩增反应，产生大量含重复序列的长链DNA。这些DNA随后与SERS纳米探针（Au@NTP@SiO₂） 杂交，从而将目标菌的识别转化为大量放大的SERS信号。
该方法的检测性能优异：线性范围宽（36.0–3.6 × 10⁸ cfu/mL），检出限低至2.0 cfu/mL，灵敏度极高。在实际样品（加标样本）中的回收率为94.0%–103.4%，准确可靠。
该工作的亮点在于将RCA的信号放大能力与SERS的高灵敏度相结合，实现了对病原菌的超灵敏检测。与之前那篇同样检测金黄色葡萄球菌的SERS/PCR方法相比，本方法采用了不同的信号放大策略（RCA vs. PCR）和探针设计，同样展现了极高的灵敏度（2.0 cfu/mL vs. 前述方法的水平相当），为食源性致病菌检测提供了另一种高效的技术路径，尤其适用于痕量样本的分析。
论文所用设备
文章中所使用的SPLD-RAMAN-785-Q系列拉曼光谱仪，把拉曼光谱测量的所有器件，集成在一个平台上，一键开机操作，使用和搬动非常方便。内置海洋光学最高性能的QEPRO光谱仪，使得仪器的暗噪声优于4 Counts（RMS），信噪比优于1000:1，能够用于极其微弱的拉曼信号测量。可以带多种样品测量支架，用于固体、粉末和液体样品的测量。
特点：
一体式设计，一键开机，方便操作和搬动；
内置海洋光学的QEPRO光谱仪，性能卓越，使用寿命长；
多种测量支架可选配，可用于固体样品、粉末样品、液体样品和气体样品测量；
可选项：
二维扫描（Mapping）选项，扫描范围：20x20mm，空间分辨率：2um
显微成像选项，视场大小：450umx450um，CCD像素：630万
文中研究使用的显微拉曼系统现已更新换代，全新升级的Micro40系列显微光谱测量系统，把透反射、荧光和拉曼光谱测量功能集成到一套显微平台上， 实现显微透反射、显微荧光和显微拉曼光谱的测量。整套系统由显微镜、显微模块、光谱仪和光源等构成。系统可以选装二维电控扫描台， 实现Mapping测量功能。
l 显微荧光光谱测量
l 显微拉曼光谱测量
l 显微透反射光谱测量
l Mapping光谱测量
l 正常显微镜功能
模块化设计：不同波长的荧光模块、拉曼模块可以选择， 不同的光谱仪和光源可以选择；
全光纤结构：不同模块之间的信号通过光纤传输， 这对于后期的维护和升级非常有利；
光谱测量范围宽：根据不同配置，光谱范围可以覆盖250-2500nm;
空间分辨率高：在100X物镜下， 光谱采集区域可以小到2um;
二维扫描：可以配二维扫描台， 实现Mapping测量功能；
示例：拉曼光谱R6G，浓度10⁻⁷, Si基底，Au Sers增强，532nm激发
参考文献：
1. Xu Y, Zhu J, Liu R, Jiang F, Chen M, Kutsanedzie FYH, et al. Nanogap-Assisted SERS/PCR Biosensor Coupled Machine Learning for the Direct Sensing of Staphylococcus aureus in Food. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2025; 73(2):1589-1597.
2. Qian Q, He H, Fu S, Xu J, Ho H-P, Zeng S, et al. 3D RGO@MoS2/Ag NPs based SERS platform for label-free detection of IL-6. Materials Chemistry and Physics 2026; 358.
3. Agyekum AA, Kutsanedzie FYH, Mintah BK, Annavaram V, Braimah AO. Rapid Detection and Prediction of Norfloxacin in Fish Using Bimetallic Au@Ag Nano-Based SERS Sensor Coupled Multivariate Calibration. Food Analytical Methods 2022; 15(8):2346-2356.
4. Zhu A, Ahmad W, Xu Y, Wei W, Jiao T, Ouyang Q, et al. Trace detection of S. aureus cells in food samples via RCA-assisted SERS signal amplification with core-shell nanoprobe. Talanta 2025; 286.
一、 什么是SERS？
SERS是一种基于拉曼散射的超高灵敏度光谱分析技术。它通过将分子吸附在特定纳米结构（通常是金、银等贵金属）表面，使分子的拉曼信号获得百万倍甚至亿倍以上的增强。该技术自1974年被发现以来，已发展至能实现单分子级别的检测，并能提供分子的“指纹”振动光谱信息。
二、 SERS的核心原理
SERS的增强效应主要源于两种机制的协同作用：
1.电磁场增强机制（主导）：当激发光照射到粗糙的金属纳米结构（如金、银纳米颗粒）时，会激发出局域表面等离激元共振。这使得纳米结构间隙（被称为 “热点” ）处的电磁场强度急剧提升。处于该“热点”区域的分子，其拉曼散射信号因此被极大放大，这是SERS具有超高灵敏度的物理基础。电磁增强可贡献10⁶~1014倍的增强因子。
2.化学增强机制（次要）：分子与金属表面发生吸附或电荷转移，改变了分子的电子云分布和极化率，从而增强其拉曼散射截面。虽然化学增强的贡献较小（通常为10¹~104倍），但它能为光谱提供丰富的化学信息，并具有选择性。
三、SERS的主要应用领域
1.表界面与催化研究
2.生物医学与临床诊断
3.体外检测
4.活体成像与术中导航
5.食品安全与环境监测
6.公共安全与毒品快检
7.新型材料科学
四、论文分享
集美大学针对牛奶中金黄色葡萄球菌的食品安全检测难题，开发了一种将SERS技术与PCR扩增相结合的新型生物传感器，并引入了机器学习进行辅助分析。[1]其核心思路是：先利用PCR技术对目标菌的特异性基因（nuc T）进行扩增，以增加目标物的数量；随后，利用I⁻和Mg²⁺介导的双金属金银纳米花结构产生强烈的纳米间隙“热点”，直接捕获并放大扩增后基因的SERS信号，从而实现了无需荧光标记的直接检测。为了提升定量准确性，研究者对比了多种机器学习算法，其中Bootstrap软收缩偏最小二乘法表现最佳，获得了良好的预测精度。
宁波大学针对慢性阻塞性肺疾病标志物IL-6的检测需求，设计并制备了一种新型复合SERS基底，其核心创新在于电磁增强与化学增强的协同设计。[2]
基底结构为三层：以粗糙的g-C₃N₄为载体，中间层是RGO@MoS₂复合材料，利用RGO的高比表面积和MoS₂的优异电荷转移能力提供化学增强，并有效吸附目标分子；最外层是溅射的银纳米颗粒，提供高密度的电磁场 “热点”，实现电磁增强。这种双重增强机制使得该基底对模型分子R6G的检测限达到了纳摩尔级（10⁻⁹ M），展现了极高的灵敏度。
该工作的意义在于，通过合理的材料组合，为无标记检测蛋白质类生物标志物提供了一种高性能SERS平台策略，有望应用于临床疾病的早期诊断。
加纳原子能委员会针对动物源性食品中诺氟沙星残留的检测需求，开发了一种内置式SERS-Au@Ag纳米传感器，并结合遗传算法优化的偏最小二乘（GA-PLS）建模，实现了鱼肉中该抗生素的快速、灵敏定量检测。[3]
其关键性能如下：在加标鱼肌肉样本中，检出限低至2.36 × 10⁻⁵ μg/mL，远低于欧盟设定的100 μg/kg最高残留限量，灵敏度远超监管要求。回收率在99.70%–105.00%之间，变异系数低于5.21%，表明方法准确且重现性好。GA-PLS模型预测速度快（仅需4秒），且RPD值大于3，模型稳健可靠。
该工作的亮点在于将高灵敏SERS基底与化学计量学算法紧密结合，不仅解决了诺氟沙星残留的快速筛查问题，还为其他兽药残留检测提供了一种可借鉴的快速定量分析策略，具有实际的商业应用潜力。
江苏大学针对食品污染指示菌金黄色葡萄球菌的检测，开发了一种滚环扩增辅助的SERS生物传感器。其核心思路结合了适配体识别、滚环扩增信号放大和SERS检测三个模块。[4]具体原理是：利用适配体与其互补链的结合，将识别元件固定在磁性微球表面。当目标菌存在时，适配体优先与菌结合，导致互补链脱离，从而触发滚环扩增反应，产生大量含重复序列的长链DNA。这些DNA随后与SERS纳米探针（Au@NTP@SiO₂） 杂交，从而将目标菌的识别转化为大量放大的SERS信号。
该方法的检测性能优异：线性范围宽（36.0–3.6 × 10⁸ cfu/mL），检出限低至2.0 cfu/mL，灵敏度极高。在实际样品（加标样本）中的回收率为94.0%–103.4%，准确可靠。
该工作的亮点在于将RCA的信号放大能力与SERS的高灵敏度相结合，实现了对病原菌的超灵敏检测。与之前那篇同样检测金黄色葡萄球菌的SERS/PCR方法相比，本方法采用了不同的信号放大策略（RCA vs. PCR）和探针设计，同样展现了极高的灵敏度（2.0 cfu/mL vs. 前述方法的水平相当），为食源性致病菌检测提供了另一种高效的技术路径，尤其适用于痕量样本的分析。
论文所用设备
文章中所使用的SPLD-RAMAN-785-Q系列拉曼光谱仪，把拉曼光谱测量的所有器件，集成在一个平台上，一键开机操作，使用和搬动非常方便。内置海洋光学最高性能的QEPRO光谱仪，使得仪器的暗噪声优于4 Counts（RMS），信噪比优于1000:1，能够用于极其微弱的拉曼信号测量。可以带多种样品测量支架，用于固体、粉末和液体样品的测量。特点：
一体式设计，一键开机，方便操作和搬动；
内置海洋光学的QEPRO光谱仪，性能卓越，使用寿命长；
多种测量支架可选配，可用于固体样品、粉末样品、液体样品和气体样品测量；
可选项：
二维扫描（Mapping）选项，扫描范围：20x20mm，空间分辨率：2um
显微成像选项，视场大小：450umx450um，CCD像素：630万
文中研究使用的显微拉曼系统现已更新换代，全新升级的Micro40系列显微光谱测量系统，把透反射、荧光和拉曼光谱测量功能集成到一套显微平台上， 实现显微透反射、显微荧光和显微拉曼光谱的测量。整套系统由显微镜、显微模块、光谱仪和光源等构成。系统可以选装二维电控扫描台， 实现Mapping测量功能。l 显微荧光光谱测量
l 显微拉曼光谱测量
l 显微透反射光谱测量
l Mapping光谱测量
l 正常显微镜功能
模块化设计：不同波长的荧光模块、拉曼模块可以选择， 不同的光谱仪和光源可以选择；
全光纤结构：不同模块之间的信号通过光纤传输， 这对于后期的维护和升级非常有利；
光谱测量范围宽：根据不同配置，光谱范围可以覆盖250-2500nm;
空间分辨率高：在100X物镜下， 光谱采集区域可以小到2um;
二维扫描：可以配二维扫描台， 实现Mapping测量功能；
示例：拉曼光谱R6G，浓度10⁻⁷, Si基底，Au Sers增强，532nm激发参考文献：
1. Xu Y, Zhu J, Liu R, Jiang F, Chen M, Kutsanedzie FYH, et al. Nanogap-Assisted SERS/PCR Biosensor Coupled Machine Learning for the Direct Sensing of Staphylococcus aureus in Food. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2025; 73(2):1589-1597.
2. Qian Q, He H, Fu S, Xu J, Ho H-P, Zeng S, et al. 3D RGO@MoS2/Ag NPs based SERS platform for label-free detection of IL-6. Materials Chemistry and Physics 2026; 358.
3. Agyekum AA, Kutsanedzie FYH, Mintah BK, Annavaram V, Braimah AO. Rapid Detection and Prediction of Norfloxacin in Fish Using Bimetallic Au@Ag Nano-Based SERS Sensor Coupled Multivariate Calibration. Food Analytical Methods 2022; 15(8):2346-2356.
4. Zhu A, Ahmad W, Xu Y, Wei W, Jiao T, Ouyang Q, et al. Trace detection of S. aureus cells in food samples via RCA-assisted SERS signal amplification with core-shell nanoprobe. Talanta 2025; 286.
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