拉曼光谱作为一种光谱学技术,可以提供分子振动与转动的指纹信息,但由于分子的拉曼散射截面小,拉曼信号很弱,很长一段时间内,拉曼光谱的发展处于停滞阶段,直到1974,表面增强拉曼光谱（Surface Enhanced Raman Scattering,SERS）的出现,才为拉曼光谱的实际应用带来了曙光。然而由于只有金、银、铜等少数金属材料具有强的拉曼增强效应,且拉曼增强效应的产生需要纳米级别的粗糙表面,这使得SERS技术的应用在材料的普适性与形貌的普适性受到了极大的限制,2010年,我们课题组发展了壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱技术（Shell-Isolated Nanoparticles-Enhanced Raman Spectroscopy,SHINERS）,SHINERS技术的出现解决了 SERS材料普适性与形貌普适性的两大难题,进一步推动了拉曼光谱在催化、电化学、环境化学、分析化学、生物医疗等诸多领域的应用,但是定量分析对于SERS来说一直是一个巨大的挑战。SERS增强机理目前公认的有两种,一是金属表面的自由电子在激光的激发下产生局域的表面等离子共振而引起电磁场增强机理,电磁场增强的区域主要存在于纳米粒子之间的间隙,即“热点”区域,另外一种机理是金属与吸附在金属上的分子存在一定的物理化学作用而以引起分子的能量、电子密度发生变化而产生的化学增强机理。为实现SERS在定量分析领域的应用,就要求SERS基底可以产生均匀的增强效应,如何构建一个均匀的SERS基底是解决SERS定量分析的关键步骤,为了实现SERS的定量分析,本文分别从以下几个方面来构建SERS基底:1.银作为一种具有优良SERS效应的金属,然而由于银很容易在自然条件下氧化而大大降低银的SERS活性,也很难长时间的保存,制约了 Ag作为SERS活性金属的应用。为了解决这个问题在银表面包覆一层二氧化硅形成壳层隔绝纳米粒子（Shell-Isolated Nanoparticles,SHINs）,二氧化硅壳层可以保护内核的银不被氧化,又使得粒子的互相接触时,内核金属不会发生电荷转移,“热点”不会消失,从而保证银的增强能力又延长了银的寿命。为了找到银在638 nm、785nm两种激光下的最优粒径,合成了粒径为50 nm、100 nm、120 nm、150 nm的银纳米粒子,分别包覆厚度的二氧化硅壳层,以对巯基吡啶为探针分子研究粒径与壳层厚度对增强效应的影响,实验结果表明在两种激光下有着相似的规律,随着壳层厚度的增加,纳米粒子的增强能力依次减弱,当壳层厚度为1-4 nm,增强能力减弱的速度远远高于壳层厚度为4-9 nm的,其次在不同激光下最优粒径不同,在638 nm的激光下,100 nm的银纳米粒子增强效果稍优于120 nm,在785 nm激光下120 nm的银纳米粒子增强能力稍微优于150 nm,一般来说来说,粒子越小,粒子曲率越大,包覆均匀二氧化硅的壳层越难,而且100和120 nm Ag纳米粒子的SERS增强能力对于638 nm激光差别不大,同样的120 nm和150 nm Ag纳米粒子的SERS增强能力对于785 nm激光差别不大。所以在后面的工作中对于638 nm的激光选用120 nm的银纳米粒子,对于785 nm的激光选用150 nm的银纳米粒子。2.上文已经提到银纳米粒子存在易被氧化而失去增强能力的问题,为解决这个问题,在银纳米粒子表面包覆一层二氧化硅壳层就可解决这个问题,如果是致密的二氧化硅壳层会隔绝待测分子与银纳米粒子的相互作用而大大削弱银纳米粒子的增强能力,所以在本文中合成了具有针孔的银纳米粒子,有针孔的既可以一定程度的保护内核的银不被氧化又允许待测分子穿过针孔与银相互作用提高纳米粒子的增强能力。通过这种有针孔的银纳米粒子构建单层膜SERS基底,用来检测牛奶中非法添加剂三聚氰胺。得到如下结果,没有壳层的银纳米粒子单层膜放置七天之后失去增强能力,而包覆了二氧化硅壳层的银纳米粒子放置七天增强能力几乎没有衰减;而对于三聚氰胺的检测在5 ppm到1 ppb的范围内具线性相关系数为0.994的线性关系,且这种单层膜SERS基底还可以应用在实际牛奶样品中三聚氰胺的检测,结果与高效液相色谱的结果一致。3.三维的SERS基底具有多层的“热点”结构,具有更高的“热点”密度。为此,将包覆有二氧化硅壳层的银纳米粒子自然干燥在疏水基底上即可得到“热点”分布均匀,增强能力强,Raman信号稳定的干态SERS基底,二氧化硅壳层的存在解决了裸银纳米粒子相互接触时会产生电荷转移导致“热点”消失的问题,并且增加了 Ag纳米粒子的寿命,减缓Ag在实际应用体系下的氧化、硫化等失活现象。而疏水硅片基底可以构建均匀、可重复的3维“热点”结构,保证了基底的均匀性。这种三维“热点”结构具有优良的SERS增强能力与稳定性而且制作方法简单。并且该基底对SHG和SERS具有通用性。用该三维SERS基底检测对巯基苯甲酸,可在10-8 M到10-5 M的宽泛浓度范围对其进行定量检测,这种SERS基底有望应用于实际体系的定量分析检测。4.为了获得更高增强的Raman信号,分子往往需要吸附在纳米粒子上,且纳米粒子之间的距离越近越好。而为了保证银纳米粒子的寿命,二氧化硅壳层确实越厚越好。通过构建Ag SHINs-Au卫星结构,巧妙的缓解了这一矛盾,即在包覆有二氧化硅壳层的银纳米粒子的表面再包覆大量的小金纳米粒子,金作为一种相对稳定的金属不会存在易被氧化的问题,二氧化硅壳层的存在既可以保护银纳米粒子又可以避免金银两种金属直接接触存在引起电荷转移,导致“热点”消失的问题。金纳米粒子一方面可以为待测物提供吸附位点增强待测分子的拉曼信号,另一方面小金纳米粒子与银纳米粒子存在耦合作用又可以进一步的增强待测物的拉曼信号。本章还探究了这种结构在单分散与耦合两种状态下的增强能力,实验结果和理论计算都证明不管在单分散状态还是耦合状态Ag SHINs-Au卫星结构的增强能力均远远强于Ag SHINs,进一步拓展了SHINs粒子的应用范围。