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单分子示踪、计算、化学结构表征以及结构变化监测,对于基础和应用研究都具有深远意义。最早用于单分子检测的技术是激光诱导荧光光谱,但通过该光谱能够获得的分子结构信息有限,且测量往往受制于特殊环境。表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS）是一种新兴的分析技术手段,不仅沿袭了传统拉曼光谱的分子指纹识别特异性、高分辨率、无破坏性、可原位检测等优点,还具有超高灵敏度、高选择性等诸多优异性能,能够同时实现单分子检测及分子识别。自该技术发现以来,就被广泛应用到界面与表面化学、生物医学、环境检测、食品安全等各个领域。发展单分子SERS技术面临的首要挑战,是如何制备出同时具备高灵敏性、高可重复性、均匀性、高性价比的基底。其次,在超低浓度的溶液环境下,分子在基底表面存在扩散、吸附和脱附现象,对测量微区内的信号波动影响巨大,研究基底表面的分子动力过程及光谱相关性,是实现单分子操纵和实时监测的基础。基于此,本文首先介绍了多种基于模板法制备的新型多层复合纳米结构,实现了基底SERS性能与单分子检测可重复性的不断提升,并通过Monte Carlo方法建立了SERS环境下基底表面的分子动力学模型,从模拟和实验两方面分析了超低浓度条件下的SERS光谱相关性。主要工作和创新点简述如下:（1）金/阳极氧化铝（Au/AAO）多孔纳米结构基底的SERS性能优化。针对该基底常用模拟模型中忽略的细节问题,如纳米孔尺寸变化、存在纳米尖等,进行了必要的结构模型修正,建立了目前较为精确的Au/AAO结构模型;基于频域有限元方法模拟了基底在入射光激发下产生的三维局域电场,得到了反射透射率随入射角及光源波长的变化,并从理论上解释了Au/AAO基底的SERS物理增强效应机制;此外,建立了具有独立参量的理想结构模型,进行模拟优化,并制备了具有相应最优参数的基底;实验检测结果进一步证实了模拟方法的可信度和实用性。该模拟方法对今后SERS活性基底结构的设计具有指导意义。（2）Au/CuCl2/AAO多层复合纳米结构基底的制备与SERS性能研究。介绍了以AAO为模板自下而上自组装生长的新型纳米花状结构Au/CuCl2/AAO,可大面积制备,形貌可控、尺寸可调;结合高真空热蒸镀技术,在其表面镀覆金纳米层后可作为SERS活性基底;经过表面形貌和金纳米层厚度优化,该基底的最低浓度检出限为10-10 M,增强因子为2.30×107,可达单分子检测水平,具有良好的可重复性和均匀分布的SERS活性“热点”,且性能均优于其模板作为基底的增强效果;此外,建立了基底的结构模型,采用有限积分法模拟计算了Au/CuCl2/AAO和Au/AAO两种基底的三维局域电场的分布,从理论上解释了基底的SERS增强效应机制。（3）GNP/Au/ZnCl2多层复合纳米结构基底的制备与SERS性能优化。在AAO模板表面自组装生长的新型纳米片状结构ZnCl2/AAO,可大面积制备、尺寸可控、性质稳定;在其表面先后镀覆金纳米层、修饰金纳米颗粒（Gold Nanoparticle,GNP）后可作为SERS活性基底;结合有限积分法模拟该结构的局域增强电场,从实验和模拟方面对比了该基底与GNP/ZnCl2/AAO、Au/ZnCl2/AAO以及石英玻璃表面修饰金纳米颗粒的增强效果,均发现GNP/Au/ZnCl2可实现最为理想的SERS效应,其最低检测浓度可达5×10-14 M,增强因子为1.9×108,达到单分子检测水平;此外,通过扫描不同浓度的探针溶液在该基底表面的信号分布,发现了单分子检测在溶液态下的稳定性与界面吸附状态相关。该新型基底的片状立体结构为金纳米颗粒提供了空间的纵向分布,同时耦合了片状结构基底本身就具有的SERS增强效应,在三维空间内产生高密度的“热点”,因此复合构筑的纳米结构具有很高的SERS灵敏度。相比于Au/CuCl2/AAO基底,GNP/Au/ZnCl2多层复合基底的形貌更规则、物理性质更稳定,单分子检测的稳定性也得以提升,在多组分分析、环境探测、药物监控等方面的实际应用中具有很大的潜力。（4）金纳米颗粒基底表面的分子动力学模型与SERS信号相关性研究。基于前述工作,发现随着探针浓度的不断降低,SERS信号随着时间出现明显的浮动;由于纳米材料不同位点的增强效应不同,耦合和增强效应会随着分子与热点的距离变大而大幅度减弱,只有分子被吸附时才停留在表面一定时间,并且需在热点附近才可以增强信号。因此,单分子的检测的稳定性依赖于该分子在基底表面的吸附情况。基于此,建立了SERS环境下低浓度溶液中分子的运动模型,在计算单元内同时考虑布朗运动、吸附和脱附三种可能的分子运动状态;应用Python软件结合Monte Carlo方法模拟分子在计算单元内的运动,拟合Langmuir等温曲线,得到动态吸附平衡条件;计算结果发现本模型中的设置参数表面吸附概率Pa和脱附概率Pd的比值与体系吸附平衡常数K之间呈线性关系;结合频域有限元方法计算得到的电场强度分布,模拟得到了分子位点的积分电场强度随时间和空间的变化,并转换为场强信号相关谱;实验中通过时间连续扫描低浓度探针在同一位点的SERS光谱,得到不同SERS特征峰强度随时间的变化,实时监测单分子吸附构型动态变化,并根据自相关函数转化为相关光谱;模拟和实验均表明,SERS光谱与荧光光谱呈现出截然不同的信号相关性,并且得到了吸附分子在该体系中的吸附停留时间。该模型是低浓度单分子SERS检测信号相关性的基础,对于SERS测量积分时间的选择、提升单分子检测可重复性具有指导意义。