科创中国

行业领域

高新技术改造传统产业

需求背景

SERS效应最早在具有粗糙表面的银电极上观测到。这一新的拉曼信号增强现象被认为是表面拉曼研究的开端。然而，后来的电子显微镜观察了揭示活性SERS基底的纳米结构特征。随后，随着观测技术的发展，可以清晰地看到SERS效应更恰当的名称应该是“纳米结构增强拉曼散射（Nanostructure enhanced Raman scattering）”而不是“表面增强”。通过上节提到的两种SERS增强机制我们可以看到，纳米结构的局域表面等离子体共振效应引起的电磁增强可以 贡献108的信号增强，而化学增强最大仅能提供103的信号增强，且增强效果对不同的分子有显著差异。因此在SERS研究的重点便是充分的提高由表面等离子 体共振效应引起的局域电场增强。在金属纳米结构表面具有最大电场增强的位置被称为SERS热点（hot spots），其往往位于纳米结构的间隙处。针对这一目标，近年来越来越多的研究人员致力于开发制备各种不同的SERS基底，以提高 SERS的增强效果或拓宽SERS技术的应用领域。

按照SERS基底的载体可以分为溶液中的SERS基底（溶胶）和固体表面的SERS基底。有许多种方法可以用来制备金属纳米溶胶，即使到今天溶胶态金属纳米颗粒的合成仍然是一个非常活跃的领域。常用的金属纳米溶胶合成方法主要有化学还原、激光消融以及辐照还原等技术，其中化学还原法不管是在操作简便性、金属材质还是形貌控制等方面具有独特的优势，是目前使用最广泛的金属溶胶制备方法。

需解决的主要技术难题

虽然关于SERS技术检测各种基质的工作有许多，但SERS技术在食品检测领域的应用仍处于起步阶段。不管是基质的定量分析，还是现场快速检测方面仍面临许多问题。

首先，缺乏标准化的SERS基底及SERS光谱数据库。目前市场上流通的SERS基底主要有Renishaw公司的Klarite、Nanova公司的Q-SERS、Ocean Optics和Silmeco公司的SERS基底。但这些基底主要用于实验室中的科学研究。物质的SERS光谱与其拉曼光谱在特征峰位置和相对强度上并不一致，同时对于同一种待测样品，不同的SERS基底得到的光谱也不相同。因此，随着SERS基底的进一步发展，标准化SERS基底的确定及相应SERS光谱数据库的创建对于SERS技 术在实际应用中的推广具有重要意义。

其次，缺乏适合SERS技术的预处理技术的研究。一般情况具有比较复杂的成分，传统的预处理技术只能通过复杂的流程和步骤将待测物从基质中提取出来。这种方法可以保证材料的高回收率，但繁琐且耗时的流程使分析检测局限于实验室中，无法应用于现场快速检测。SERS技术虽然可以检测和识别出复杂基质中的待测样品，但复杂的成分仍然会影响检测的灵敏度和准确性。因此，适用于SERS技术的简便的预处理方法的研究具有重要意义。该预处理方法在简便化的同时应当尽可能的保证待测样品的高回收率，目前针对不同的材料，相应快速预处理方法仍然需要进一步的研究。

再次，缺少多种物质在复杂基质中同时检测的研究。现有研究表明在纯样品溶液中多种污染物同时混合时其拉曼特征峰的强度和检测限与单独检测时基本相同，证明了SERS技术在多种污染物同时检测方面的可靠性。然而对于非常复杂的系统，在这种复杂基质中对多种污染物进行定量检测仍是需要解决的问题。

最后，定量分析的困难。由于SERS技术采集的是样品在基底表面的散射光信号，这就导致同一待测样品在不同的实验条件下的信号强度可能会产生差异。这也给SERS技术用于定量检测带来了极大的困难。为解决这一问题，仪器参数及实验结构的固定和标准化是十分必要的。

总之，作为一种新兴的分析检测技术，SERS技术检测领域展现出极大的潜力，尤其随着光谱仪向小型化的发展以及便携式预处理技术的开发，SERS技术应用于现场快速检测具有广阔的前景。但SERS技术在实际应用领域的全面普及仍有许多关键问题解决。

期望实现的主要技术目标

（1）使用B3LYP方法，针对不同的分析样品，选择不同的基组，对本项目涉及的样品的拉曼光谱进行了理论计算。然后在采集了五种污 染物固体粉末的常规拉曼光谱（硫氰酸钠、三聚氰胺、双氰胺、福美双）或水溶液的SERS光谱（结晶紫）。将理论计算结果与实验测得的拉曼光谱进行对比，研究二者的匹配性。

（2）在此基础上，对五种污染物的拉曼特征峰进行了振动模式的归属，为污染物的识别和检测提供理论依据。

（3）最后对理论计算和实验检测的拉曼特征峰之间的偏差进行分析。

需求解析

解析单位：“科创中国”科技创新全链条服务生态系统专业科技服务团（北京八月瓜科技有限公司） 解析时间：2022-11-21

张晖

中国电子技术标准化研究院

主任

综合评价

技术需求提出单位对需求的精准度描述较清晰。表面增强拉曼光谱（SERS）技术作为一种新兴的光谱分析技术，自上世纪90年代以来，逐渐应用到食品中污染物检测的研究。但SERS技术应用于食品中污染物的现场快速检测有许多问题需要研究。 技术需求提出单位的技术研发内容与哈尔滨工业大学航天学院林翔博士的博士学位论文《SERS 基底的制备及其用于食品中污染物的快速检测》所做的工作非常吻合。在其博士阶段的研究工作中，针对三种不同的食品基质，通过建立新型的SERS检测方法，制备新型的SERS基底，开发了几种无需预处理或简单预处理的食品污染物检测技术。建议技术需求提出单位可以与哈尔滨工业大学航天学院进行联合研究。 另外，中国科学院微电子研究所提出的发明专利“一种多功能SERS检测方法及系统”（专利号202210642135.2），在SERS检测的同时可以确定照射到待测样品表面的拉曼激光功率，从而结合所确定的拉曼激光功率准确获得物质种类和浓度信息，提高SERS检测的准确性。该发明专利也与此技术需求密切相关。

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