拉曼散射复合增强的非线性耦合机制及应用研究

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy has not been applied broadly since its discovery in more than half contraries, but the research efforts have been active extensively. The reason lies in its unique material identification feature spectrum. SERS was intended to enhance the extremely weak Raman scattering cross section, so that it can become a practical tool for spectral application. Due to historical reasons, the researchers divided the complex mechanism into charge transfer as chemical enhancement factors and electromagnetic effect as the physical enhancement factors. However, the categorization did not reveal the inner nature of the Raman enhancement. It hardly integrates the existing theory and most experiments. This project aims to utilize advanced tip-enhanced Raman scattering, to achieve a separation of abovementioned enhancement variables, showing various effects of factors, such as the weak coupling and strong coupling between the two enhancement factors. The refined basis for experiments will be employed to correct current Raman theory of computation by considering the local field effect. By the interpretation of experiments and theory on SERS, not only will the project make a reliable basis for the quantitative measurement of SERS spectra, but SERS　based DNA sequencing would also become possible in precision medical applications.

没有任何一项技术发明像表面增强拉曼散射(SERS)光谱般，在发现了半个世纪后仍然没有 得以广泛的实际应用，但围绕其应用的研究方兴未艾；原因就在于拉曼光谱反应了独特的物质 标识特征。表面增强拉曼散射旨在于增强拉曼散射微弱的散射截面，使其能够成为研究、应 用的实际光谱工具。由于历史原因，研究者人为地将SERS复杂的增强机理划分为物理的电磁因 素和化学的电荷转移因素。然而这种截然分割在理论及实验上并不能完全揭示拉曼增强统一的 内在本质，也无法使现有理论与多数实验及应用实现明确的融合。本项目旨在利用先进的针尖 增强拉曼散射，在实验中实现拉曼增强的变量分离，精细呈现拉曼增强各个因素的分离、弱耦 合和强耦合相互作用；并以此精密的实验为依据对拉曼计算理论进行修正，引入局域场效应的校正 。拉曼增强的实验及理论的彻底诠释，不仅能使定量SERS测量成为物质光谱检测的可靠依据； 也将使DNA拉曼测序成为可能。

本项目立项的初衷是通过各种设计实验研究局域电场对可能的电磁-化学增强耦合的影响。在项目开展过程中，我们依据计划，逐步开展相关实验研究。首先，我们制作了各种拉曼基底（硅片，ITO，Au,Ag薄膜，Au,Ag光栅及Au,Ag纳米狭缝），检测苯硫酚三个特征峰ω1=1000cm^(-1)（苯环平面外形变），ω2=1024cm^(-1)（苯环平面内形变），ω3=1074cm^(-1)（C-C键对称与C-S键振动）的谱峰强度变化。由于ω1振动远离基底，只有电磁增强；ω3存在分子与金属的电荷(自由电子)转移，呈现强烈化学增强效应；ω2居中，仅存在微弱的化学增强效应。ω3/ω1,ω2/ω1峰值强度在不同基底（电磁增强）下的表现展现了电磁-化学增强的耦合与局域场的关联。接着，我们进行了金属针尖实验。通过将针尖逐渐接近无增强基底（Si，ITO），研究基底上苯硫酚ω3/ω1,ω2/ω1峰值强度随针尖距离的变化情况。实验数据分析证明，拉曼电磁-化学的确存在与局域场关联的正向耦合。我们完全证明化学增强（电荷转移）与局域场存在着的弱、强耦合机制。我们完成了本项目设定的中心研究目标。在项目进行中，我们针对拉曼光谱的实际应用，展开了生物检测与统计分析等研究。进行了单细胞拉曼（五种白细胞，中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、淋巴细胞与单核细胞以及多种肿瘤细胞，肺癌、乳腺癌、白血病、肝癌等）多达几千次的数据检测。通过主成分、决策树、随机森林及神经网络方法找寻生物系统特征拉曼表述，探寻循环肿瘤细胞检测的新方法。我们提出拉曼生物大分子判定的特征值模型，这对拉曼光谱进行生物检测的临床应用奠定了坚实的基础。