3.3　拉曼光谱新技术及应用

在高端产品方面，拉曼光谱仪慢慢走向成熟，同时在超低波数拉曼光谱、透射拉曼光谱、针尖增强拉曼光谱（Tip-enhanced Raman spectroscopy，TERS）、SORS、拉曼成像、拉曼光谱联用等方面取得了系列进展，使科学家在新材料（如低维纳米材料）、药物API分析、化妆品、生命科学领域的研究中获得前所未有的信息，同时也推动了拉曼光谱技术在这些领域中的应用。

3.3.1　短波长手性拉曼光谱仪

手性是自然界的基本属性之一，在生命科学、药物合成及不对称催化等领域具有重要意义。2018年，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、冯兆池研究员主持完成的“电场、磁场调制的短波长手性拉曼光谱仪研制”专项，通过国家重大科研仪器设备研制专项项目结题验收，该项目成功研制出国际上第一台以457nm激光为激发光源的短波长手性拉曼光谱仪（图3-7）［1］。手性拉曼光谱是手性分子结构表征的一种新的谱学方法，该方法不需要样品结晶，可直接对溶液中的手性样品进行绝对构型的鉴定，因而受到学术界和工业界的高度关注。然而，手性拉曼光谱的本征信号非常弱，比常规光谱技术信号弱3～7个数量级，因此在实验中检测手性拉曼信号极具挑战。研究团队采用适合于手性拉曼光谱的457nm激光作为光源，与国内外相关光谱仪器公司合作，研制出世界上首台短波长手性拉曼光谱仪，同时填补了我国手性拉曼光谱技术的空白。据了解，该光谱仪目前已经取得了200余万元的订单，预计将在手性分子鉴定、新药合成和鉴定、不对称催化和生物大分子研究领域发挥重要作用。

3.3.2　深海探测的紫外激光拉曼光谱仪

2017年，由中国科学院大连化学物理研究所李灿院士负责研发的7000m级深海原位探测紫外激光拉曼光谱仪在马里亚纳海沟成功通过7000m海试验证。如图3-8所示，该光谱仪是国际上首次进行深海探测的紫外激光拉曼光谱仪，也创造了拉曼光谱仪最高深海探测记录（7449m）。该仪器的成功研发提升了我国在深海矿藏、能源资源（天然气水合物）、碳循环与气候变化以及深海生物信息方面的探测能力。通过“发现”号无人潜水器携带的深海激光拉曼光谱探针，科考团队还在我国南海约1100m的深海海底探测到两个站点存在裸露在海底的可燃冰，经拉曼光谱探针现场探测，证实其为标准的Ⅰ型水合物［2］。

3.3.3　共聚焦拉曼光谱仪

拉曼效应的致命弱点是拉曼截面积较小，信号强度较弱。在拉曼光谱学的历史上，已经尝试了许多方法来克服该缺点，如商业激光器的发明和发展、电荷耦合器件（CCD检测器）以及干涉滤光片等。为了能更好地利用入射光照在样品分子上的能量，有学者研究了共振拉曼调节（RRS）研究能量的能力。由于半导体纳米线中的电子能带结构和电子-声子相互作用，在共振或正常拉曼光谱中，物质的强度与入射光的强度呈线性关系，与分光束的波长和极化率张量的平方成正比。当激光线具有与允许电子跃迁相似能量时，其拉曼信号可放大约105倍。这就是共振拉曼效应的特征［3］。共聚焦拉曼光谱仪可以实现亚微米级的化学成分分析，实际空间分辨率一般为1μm左右。2018年，D.Schymanski等通过μ-拉曼光谱对瓶装水中微塑料的分布进行了分析，得到了如图3-9所示的结果。尽管拉曼光谱可以实现较低的空间分辨率分析，但由于拉曼信号较弱，加上背景荧光较强，所以应用范围受到限制［4］。

3.3.4　拉曼成像

拉曼成像是新一代快速、高精度、面扫描激光拉曼技术［5］，它将共聚焦显微镜技术与激光拉曼光谱技术完美结合，作为第三代拉曼技术，拉曼成像上的每一个像元，都对应于一条完整的拉曼光谱，数百、数千甚至数百万条光谱综合在一起，就产生了一幅反映材料成分和结构的伪彩图像。

与拉曼光谱相反，拉曼光谱提供离散的化学物质样品内不同位置的信息，而拉曼成像提供的是化学信息与空间信息。首先通过激光点扫描以预设步长调查样本区域并采集拉曼光谱成像。该图像包括高度精确的结构和化学信息，可实现将细胞隔室，细胞对药物的反应以及细胞周期的不同阶段干细胞到完全分化的细胞成功区分。因此，拉曼成像还可对体检患者快速高效地识别出健康细胞和癌细胞，拉曼检测代替传统癌症检测工具有巨大潜力。拉曼成像在植物细胞和微生物上应用广泛［6］。拉曼成像作为一种具有高化学特性的无创技术，已成功用于细胞和亚细胞水平的研究，还可用于组织的无标签和无创检查，并有潜力成为生物和生物医学领域的领先方法应用程序。人们越来越希望对化学物质有更全面的了解，从而了解各种植物组织的组成。有学者使用带有633nm激光波长的拉曼光谱仪，对有55岁高龄的黑云杉木材中的细胞壁分布作拉曼成像，确定其中的纤维素和木质素等成分的分布和组成等信息。同时，使用拉曼成像对植物和藻类中的类胡萝卜素成像，从而确定植物和其他光合生物中的共轭双键，为植物和藻类的光损伤提供一定的指导意义。

3.3.5　针尖增强拉曼光谱

TERS作为由SERS和扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）联用的新型拉曼增强技术，可提高亚纳米空间的分辨率，且具有独特的选择定律［7］。在TERS中，较尖锐的金属尖端或金属纳米粒子在探针的末端周围产生局部电场增强，从而可使具有拉曼活性的分子增强拉曼信号［8］。表面物理国家重点实验室的盛少祥等［9］学者研究了硅烯的原位局域振动性质，发现硅烯的TERS光谱表现出随针尖和样品间距离的指数衰减关系，并且TERS对于硅烯的振动模式具有很强的选择性。TERS光谱成像更具优势，它可以大范围扫描样品并生成完整的化学图像以做化学结构分析。TERS可用于碳纳米管的结构缺陷分析［10］；也可用于生物学单个分子的分析，如在单个的线粒体中检测一种具有蛋白质结构的细胞色素C［11］，研究红细胞被疟疾感染的血红素晶体［12］。

3.3.6　表面增强拉曼光谱

当分子吸附在粗糙的金属表面时，其信号发生显著增强，这种现象称为表面增强拉曼散射（SERS）［13］。SERS作为一种新兴的分子“指纹”光谱分析技术，因其高度的灵敏性、高选择性以及无损检测和重复性高等优点，在生物医药、食品安全检测、环境检测、古物修复检测等领域有显著的应用前景而受到广泛的关注［14］。

3.3.6.1　表面增强拉曼光谱的器件

在SERS方面，中国科学院深圳先进技术研究院李鹏辉、喻学锋、罗茜等合作，开发出一种磁性可移动拉曼增强检测芯片，实现了多种环境污染物的高灵敏度快速检测。课题组成员唐思莹等利用表面增强技术，制备了一种磁性可移动的SERS芯片，并实现了孔雀石绿、福美双、敌草快、多环芳烃等农药和环境污染物分子的高灵敏度检测。这种SERS芯片一方面由于高度有序排列的金纳米棒形成等离子体超晶格结构，使其具有高灵敏度和高探测极限的优异SERS性能，检测极限可低至纳摩尔级［15］；另一方面由于它具有磁性，能从复杂分析物中快速分离，适用于环境污染物的实地快速分析检测，拓宽了SERS芯片在环境监测中的应用范畴。

中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所研究员杨良保等利用自发的毛细力捕获纳米颗粒，构筑了由单根银纳米线和单个金纳米颗粒组成的单热点放大器，实现了SERS高稳定和超灵敏检测。SERS热点一直受方法繁琐、不均一等问题困扰，如何简单构筑均一、可靠的SERS热点是人们一直追求的目标。基于此目标，杨良保等利用毛细力构筑了由纳米线和纳米颗粒组成的点线单热点放大器。纳米颗粒在毛细力作用范围内，被捕获到纳米线表面，因此耦合的纳米线和纳米颗粒产生了巨大的电磁场增强；其次，纳米颗粒与纳米线耦合形成的孔道可通过毛细力自发捕获待测物进入热点，进而放大热点区域待测物的拉曼信号。实验和理论结果均表明：利用毛细力构筑的单热点结构能够放大待测物信号，且毛细力捕获的颗粒位置差异对电磁场分布影响较小。该项研究工作利用毛细力构筑单热点放大器，不仅避免了颗粒团聚造成的SERS热点不均一难题，也解决了使用巯基聚合物等对基底组装引起的信号干扰问题。

3.3.6.2　表面增强拉曼光谱的应用

随着SERS技术的不断发展，人们逐渐不再将研究重点放在增强机理的研究上，而将研究的注意力转移到了实际应用上。SERS作为一种高灵敏度、高选择性的分子光谱指痕鉴定方法，已经在食品农药残留、生命物质、环境污染物分析等领域获得了广泛的应用，取得了丰硕的研究成果。

（1）SERS在农药残留检测上的应用　张丹［16］研究了氨基酸的SERS，分别采用氧化还原法制备银溶胶和硝酸刻蚀法的银片作为增强基底，系统分析了三种氨基酸（L-组氨酸、L-色氨酸和L-苯丙氨酸）在两种基底下的SERS，并且讨论了在不同频率的光源、不同pH值、不同浓度和卤离子对这3种氨基酸表面增强效应的影响。经研究发现，在一定的浓度范围内，随着浓度的增大，SERS的强度呈现出先增大后平缓减小的趋势，当浓度为1×10－3mo1/L时可获得最大SERS强度；L-苯丙氨酸在pH值为8、L-色氨酸和L-组氨酸在pH值为6时分别获得最强表面增强效应；此外，还发现卤离子有抑制这3种氨基酸表面增强效应的作用，I－的抑制效果最强，Br－次之，Cl－最弱。

唐慧荣［17］采用银溶胶作为基底，采集了三环唑、氟硅唑和百草枯3种农药标准溶液的SERS谱图，最低检测浓度分别低至0.01mg/L、2.85mg/L和0.1mg/L，并且在3种农药混合后，在最低检测浓度下依然可以辨别它们的特征峰。此外，用吡啶作为内标化合物，对稻谷中的三环唑进行定量分析，很好地消除了银溶胶的不稳定性对实验结果的不利影响，在银溶胶最佳增强效果（放置6天后）下，该方法的最低检测浓度达到了0.002mg/L，与HPLC的检测结果比较，发现误差在0.0008～0.0304mg/kg之间，效果较为理想。叶冰［18］采用SERS技术，并结合银溶胶基底和Klarite增强芯片检测脐橙中的毒死蜱、乐果和亚胺硫磷3种农药的残留情况，采用不同的光谱预处理方法对结果进行优化，取得了良好的效果，但同时也存在着没有进行化学前处理、检测限偏高和检测时间偏长的缺陷。

万常斓［19］以毒死蜱、乐果和亚胺硫磷3种农药为检测对象，分别采用金、银、铝、铜4种不同的基底对以上3种农药进行检测，对比分析了光谱预处理方法并对建模波段进行了筛选，取得了良好效果。但存在没有进行化学前处理、实验过程繁琐等缺陷。李俊杰等［20］采用SERS对噻菌灵标准溶液和脐橙果肉中的噻菌灵农药进行检测研究，标准溶液的SERS谱图中，1010cm－1处的峰强与浓度的线性关系良好，线性方程为y=813.6x+16268，相关系数R2=0.9904。王晓彬等［21］采用SERS技术对脐橙果肉中三唑磷农药残留进行定性、定量分析，采用内标法，建立了脐橙果肉中三唑磷农药残留的定量分析模型，发现在一定的浓度范围内（0.5～20mg/L）有着良好的线性关系，通过添加回收率验证该方法准确可靠。

目前，采用SERS技术检测农药的研究有很多。但是，以农药溶液的检测为主，对于果蔬样品中农药残留的检测大多数需要样品前处理。Fan等［22］采用SERS方法检测苹果中亚胺硫磷的含量，需要对样品打碎并作浓缩处理。Wijaya［23］等在检测苹果表面的啶虫脒农药时，需要擦拭样品表面，然后通过旋涡振荡等手段将农药溶解于溶液中，再进行SERS检测。利用SERS方法检测小白菜、韭菜等多种蔬菜中甲胺磷农药含量，也需要将蔬菜打碎后提取农药。目前，少有对果蔬样品不进行前处理，将纳米粒子直接滴涂于样品表面，进行SERS原位定量分析的研究报道。

中国农业大学翟晨［24］等利用SERS技术，建立了一种用于菠菜中毒死蜱农药残留的非破坏、快速检测方法。采用在碱性环境下盐酸羟胺还原法制备的银溶胶作为表面增强剂滴涂于菠菜样品表面后，再用实验室自行搭建的拉曼系统直接采集样品的拉曼信息，该方法无需对样品进行前处理，可以实现菠菜中毒死蜱含量的实时在线定量分析。毒死蜱浓度呈良好的线性关系，其校正集和验证集相关系数RC和RP分别为0.961和0.954。该方法对毒死蜱的最低检出含量为0.05mg/kg，低于国家标准规定的农药残留最大限量，实现了果蔬的农药残留快速、定量检测。

广东工业大学姬文晋等［25］制备了银溶胶作为表面增强活性基底，以此为基础详细研究了促凝剂氯化钠的加入对增强效果的影响，检测双酚A（BPA）乙醇溶液的下限达到10－7g/mL。此方法操作简便快捷，无需对样品进行预处理，在BPA的快速检测方面具有很大的应用潜力。

（2）SERS在环境检测上的应用　SERS技术作为一种分子光谱技术，还可以应用在环境监测方面，检测污染以评估水中的添加剂。Sophie Patze等发现磺胺甲基异唑主要存在于饮用水和地表中，而这种物质会造成人体的过敏反应和地表水中，严重威胁人类的健康状况。可用SERS技术将此物质检测到2.2×10－9mol/L。Y.Zeng等用SERS技术检测被有机污染的水中的重金属离子。

3.3.7　X射线荧光-拉曼一体化检测仪

随着国际贸易快速发展，通关货品种类和数量激增，通关检测任务繁重，实验室送检分析速度已经不能满足进出口贸易的需求。同时，现有的快速检测仪器大部分存在着检测参数单一、检测灵敏度较低的问题，难以满足新形势下的需求。面对此需求，为了弥补现有口岸现场检测技术的不足、提升通关效率，钢研纳克检测技术有限公司牵头的项目组以“跨境货品多参量无损检测仪的研制与应用”申报了国家重大科学仪器设备开发专项2017年度项目，并获得了支持。

项目拟研发跨境货品多参量无损检测仪，研制基于单波长全聚焦X射线荧光（XRF）和双波长瞬态差分拉曼光谱复合的跨境货品多参量无损检测仪，实现分子结构和元素的同步识别与联检，用于跨境大宗、贵重货品的防伪侦检和有害物质的现场快速无损检测，实现了工程化和产业化。其中，通过单波长全聚焦弯晶XRF技术以提高低含量轻元素的检出限；以双波长瞬态差分拉曼技术克服复杂基质荧光背景干扰、准确提取拉曼弱信号；研发XRF和拉曼同位聚焦一体化复合技术，并消除所产生的信号干扰；建立跨境货品多参量现场快速、准确、高灵敏度的检测方法。

2019年8月，项目进行了中期检查。通过认真评议，专家组给予该项目中期检查结果等级为“超额完成”。

3.3.8　基于拉曼/离子迁移谱技术的易制毒化学品核查仪

由公安部第一研究所承担，中科软科技股份有限公司参与的“十二五”国家科技支撑计划“查缉、管控毒品违法犯罪核心技术与装备研究”项目“易制毒化学品运输管控检验技术与装备研究”课题于2017年2月顺利通过验收。课题研制的基于拉曼光谱技术研发的易制毒化学品核查仪及基于陶瓷材料一体化双模式漂移管的离子迁移谱易制毒化学品检测仪通过验收。融合了自主开发的现场拉曼光谱∕离子迁移谱分析检测技术、隐形矩阵复合码防伪技术和信息管理平台技术，实现了易制毒化学品人、车、物、证全方位的精准管控与轨迹溯源，创新了易制毒化学品管控综合管理模式。课题成果已转化为产品，在国内外获得推广应用，为打击毒品、易制毒化学品违法犯罪发挥了重要作用。

3.3.9　便携式薄层色谱-拉曼光谱联用仪

2017年8月31日，由上海科哲生化科技有限公司、第二军医大学、上海仪电分析仪器有限公司、上海交通大学、上海市食品药品检验所、山东省食品药品检验研究院等多家单位参加的国家重大科学仪器设备开发专项“便携式薄层色谱-拉曼光谱联用仪及其药品快检支撑系统”项目，获得以庄松林院士为首的科技部仪器领域专家的一致好评，通过了组织单位的技术验收。

该项目研制的薄层色谱-拉曼光谱联用仪，是世界范围内首次将薄层色谱与拉曼光谱技术相结合的创新型仪器。上海科哲生化科技有限公司在项目中承担薄层色谱仪部分的研发与产业化工作，该仪器将原本只能由多台单功能仪器配合实现的薄层色谱实验多步流程整合到一台仪器上实现，在整体空间内实现薄层色谱自动进样、自动点样、成像定位和自动点胶功能，并可使用拉曼检测器进行多形式拉曼光谱扫描。该仪器使原本只能分析单纯化学药物的拉曼光谱仪分析范围拓展到中药与化药复方制剂领域，开创了薄层色谱-拉曼光谱联用技术的新纪元。薄层色谱-拉曼光谱联用仪在定位精度、稳定性、重现性等方面均能满足使用需求，与进口设备搭建平台相比，自动化一体化的仪器、智能化的操作界面使得操作更加方便，极大降低操作者的工作强度。该仪器具有检测通量高、检测成本低的特点，可在基层检测单位推广使用，并将在药品安全与食品安全领域发挥重要作用。