SEM活性物质：种类、作用机制及应用前景105

表面增强拉曼光谱（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）作为一种灵敏度极高的光谱技术，近年来在分析化学、生物医学、环境监测等领域得到了广泛的应用。其高灵敏度的关键在于SEM活性物质，它们能够显著增强拉曼散射信号，使得检测极限大幅降低，甚至可以达到单分子水平。

那么，什么是SEM活性物质呢？简单来说，SEM活性物质是一类能够增强拉曼散射信号的材料。它们通常具有纳米尺度的结构，并具备特殊的表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）特性。当入射光激发这些纳米结构的SPR时，会产生局域的强电磁场，从而显著增强吸附在其表面的分子的拉曼散射信号。 这种增强效应可以达到106到1014倍，远超普通的拉曼光谱。

目前，常用的SEM活性物质主要分为以下几类：

1.贵金属纳米材料: 这类材料是目前研究和应用最为广泛的SEM活性物质。其中，金(Au)和银(Ag)纳米颗粒最为常用，因为它们具有优异的SPR特性，能够在可见光区域产生强烈的电磁场增强效应。这些材料可以制备成各种形态，例如球形、棒状、星形等，不同的形态会影响其SPR特性和增强效果。例如，金纳米棒由于其独特的形状和尺寸效应，可以实现对特定波长的光的选择性增强。

2.金属纳米结构: 除了金属纳米颗粒外，一些金属纳米结构，例如金银纳米薄膜、金属纳米线、金属纳米笼等，也具有良好的SEM活性。这些结构可以提供更大的表面积，从而提高分子的吸附量和增强效果。此外，通过控制这些结构的形貌和尺寸，可以进一步优化其SPR特性和增强效果。

3.金属-介电复合材料: 为了进一步提高SEM活性，研究人员开发了金属-介电复合材料，例如金属-介电核壳结构、金属-介电等离子体超材料等。这些材料通过结合金属和介电材料的特性，可以实现对SPR的精细调控，从而获得更高的增强因子和更窄的增强波长范围。

4.其他材料: 除了贵金属材料外，一些其他材料也显示出SEM活性，例如半导体纳米材料（例如硅纳米线）、石墨烯等。然而，这些材料的SEM增强效果通常不如贵金属材料显著。

SEM活性物质的作用机制主要基于电磁场增强效应和化学增强效应：

电磁场增强效应: 这是SEM增强效应的主要机制。当入射光激发SEM活性物质的SPR时，会在其表面产生局域的强电磁场，从而增强吸附在其表面的分子的拉曼散射信号。这种增强效应与SEM活性物质的形貌、尺寸、材料等因素密切相关。

化学增强效应: 化学增强效应是由于分子与SEM活性物质表面发生化学相互作用，改变了分子的电子结构和极化率，从而增强了拉曼散射信号。这种效应通常比电磁场增强效应弱得多，但在某些情况下也可能起到重要的作用。

SEM活性物质在各个领域都有广泛的应用前景：

1.生物医学: SERS技术可以用于检测生物分子，例如蛋白质、DNA、细胞等，具有高灵敏度、高特异性和非侵入性的优点。例如，可以利用功能化的SEM活性物质来检测肿瘤标志物、病毒等，为疾病的早期诊断和治疗提供新的手段。

2.环境监测: SERS技术可以用于检测环境污染物，例如重金属离子、有机污染物等，具有快速、灵敏、便携的优点。例如，可以利用SERS技术来检测水体、土壤中的污染物，从而对环境进行有效的监测和评估。

3.食品安全: SERS技术可以用于检测食品中的有害物质，例如农药残留、兽药残留等，确保食品安全。例如，可以利用SERS技术来快速检测食品中的细菌和病毒。

4.国防安全: SERS技术可以用于检测爆炸物、毒剂等，具有快速、灵敏、可靠的优点。例如，可以利用SERS技术来检测机场、车站等公共场所的危险物品。

总之，SEM活性物质是SERS技术发展的关键，其研究和应用不断拓展。随着纳米材料合成技术和光谱技术的进步，相信SEM活性物质将在更多领域发挥重要的作用，推动SERS技术的广泛应用。

2025-08-22

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