SERS(表面增强拉曼散射)理论.docx

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1、SERS的物理类模型物理类模型致力于阐释金属表面局域场的增强，它的主要代表包括表面电磁增强模型和镜像场模型。1、表面电磁增强模型（ElectromagneticEnhancemantModel，简记为EM）表面电磁增强模型[5~7]又可称为表面等离子体共振模型，它认为一个吸附在金属表面的分子的诱发偶极矩是通过金属椭球由入射场和散射场共同产生的。对于椭球比光波波长小的情况，在频率与偶极表面等离子体共振时，散射场比入射场大，这可以看作是椭球外部空间的场密度的影响。因此拉曼散射场会与金属颗粒的强散射场引起的金属颗粒表面的等离子

2、体振荡发生共振，这种共振的结果使振荡分子产生了非常大的能量。图2－1纳米颗粒表面增强散射示意图如图2－1所示，把一个可以看成经典电偶极子的分子放在球形金属颗粒外的r处，以频率为ω0的平面波照射，分子偶极子会产生频率为ω的拉曼散射，其偶极矩为：P(r,)E(r,)(2-1)0P0这里的是分子的拉曼极化率而E包括两部分：PE(r,)E(r,)E(r,)(2-2)P0i0LM0其中E是入射场的场强，E是用Lorenz-Mie理论计算获得的散射场场强。在iLM观察

3、点r处与拉曼散射相关的电场由下式给出E(r,)E(r,)E(r,)(2-3)Rdipsc其中，E是球形颗粒不存在时振荡偶极子P发射的场，E是由球形颗粒产生dipsc的必须满足频率ω的边值问题的散射场。2拉曼散射的强度IR是远场振幅ER的平方：IRlimER(r,)exp(ikr)/r，kr00增强因子G定义为GII，其中I是在金属球形颗粒不存在时的拉曼强度。RRR那么在小颗粒的限制下，增强因子可由下式给出：23333ag03n(ni)iag(ag0/r

4、1)i33Gi(ag/r1)3n(ni)(2-4)330rr这里的i指入射场在r处的偏振态，也就是Er,Ei，nr/r，gi00和g0是表达式12在ω和ω0处的值，其中ε是胶体颗粒与周围物质的复合介电函数的比值。当分子在金属球表面上即ra且入射和散射光场的偏振方向与散射平面垂直时，增强因子将由下式给出：2G512g2g4gg(2-5)00当Re(ε)等于-2时，g(或g0)的值将会变大。这也恰好是激发球形颗粒表面等离子体的条件。此时，G主要

5、决定于gg0项，方程(2-5)将变成2G80gg(2-6)0于是根据这一模型，当入射光和散射光的频率满足表面等离体子共振条件时，4就可以得到强的SERS信号，在这种情况下，G的值将与1成正比式中的和分别为Re和Im。当球体完全被吸附分子覆盖时，可以对每个分子的拉曼散射光求平均，将每一个吸附分子都认为成一个垂直于表面振动的偶极子，则2G(12g)(12g)(2-7)0于是，对于从吸附在球形金属颗粒上的分子观察到SERS效应的电磁理论，当下列条件满足时，将能够观察到强的增强：

6、（1）颗粒的尺寸必须小于光的波长λ（2）激发频率或散射频率必须满足表面等离体子共振条件（3）分子不能距表面太远。电磁理论能较好地解释为什么只有红色激光才能发现铜和金属表面的SERS、入射光角度以及分子偶极矩定向对SERS强度的影响等，并且比较成功地解释了其它金属表面增强现象，如表面增强荧光光谱、表面增强光化学以及表面增强非线性光学等。由于电磁增强所涉及的分子与金属间作用为物理吸附，而对分子的化学性质并不敏感，由此产生的SERS或共振Raman光谱有着很大的差别。原则上来讲，任何物理吸附在表面上的分子都应表现出增强效应。然

7、而，不同的物质分子在金属－电解质界面上的增强效应有很大的差别。说明SERS效应不可能排除分子化学性质的影响，也表明电磁增强理论存在局限性。2．镜像场模型（ImageFieldModel）镜像场模型假定金属表面是一面理想的镜子，吸附在金属表面的分子为一振动电偶极子，它在金属内部感应出“镜像”来。偶极子发射拉曼散射光时，它的镜像也同时发射，再加上表面反射场造成的局域场增强，可以引起16倍的散射截面的增加。该理论解释了在原子间距范围内表面增强大小的正确数量级，还预示金属表面分子中垂直于金属表面的偶极组分的振动模具有强Raman

8、散射，而平行于金属表面的偶极组分的振动模没有散射。然而实际上的分子通常是一个多极体，并不是一个简单的偶极子，当分子趋近金属表面达到某一临界距离时，分子的多极性是不能予以忽略的。该理论也仅能解释部分表面增强因子。3．其它模型物理类模型的其它代表还有天线共振模型[9~10]、避雷针模型[11]等。这些物理模型与电磁理论一