針尖增強拉曼散射原理及在科研和教學(xué)方面的進(jìn)展

曹藝,趙虎林,孫萌濤*

(1.北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院,北京 100190;2.中國人民解放軍總醫(yī)院神經(jīng)外科醫(yī)學(xué)部,北京 100853)

1 引言

作為一種非常重要的物理光學(xué)特性及分析技術(shù),拉曼散射效應(yīng)自二十世紀(jì)三十年由印度物理學(xué)家拉曼爵士發(fā)現(xiàn)后,至今的研究歷程已近百年[1]。拉曼散射效應(yīng)是通過激發(fā)樣品中的分子振動來提供化學(xué)信息。在拉曼散射過程中,激光與樣品相互作用,使得樣品中的分子發(fā)生振動并散射出去的光子與入射激光的頻率相差,這個差值就對應(yīng)了分子的振動信息[2]。近年來,隨著技術(shù)研究的不斷深入,拉曼散射在表面化學(xué)、生物化學(xué)、納米材料和能源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。同時,基于拉曼散射的新技術(shù)也層出不窮,如表面增強拉曼散射(Surface Enhanced Raman-Scattering,SERS)[7-8],共振增強拉曼散射(Resonance Raman Scattering,RRS)[9],針尖增強拉曼散射(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy,TERS)等[10],這些技術(shù)在提高檢測靈敏度和分辨率方面發(fā)揮了重要作用。

其中,針尖增強拉曼散射技術(shù)是一種基于拉曼散射的高分辨率、高靈敏度的光譜技術(shù)。TERS技術(shù)是將顯微掃描探針系統(tǒng)與拉曼散射效應(yīng)相結(jié)合,利用金屬針尖和襯底間所形成的高強度納米腔等離激元場,獲得高分辨光譜表征結(jié)果。相比傳統(tǒng)的拉曼光譜技術(shù),TERS可以實現(xiàn)納米尺度的空間分辨率,同時提高光譜信號強度,使得納米量級,甚至埃米量級的圖像及化學(xué)鍵表征成為可能[11]。作為一種具有高靈敏度及高分辨率特性的拉曼散射技術(shù),TERS技術(shù)可以實現(xiàn)單分子特性研究,并實時給予研究者圖像及光譜反饋[12]。在過去的二十年中,TERS技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展,在生物學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)等科研和教學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[13-15]。

本文首先回顧了拉曼散射的發(fā)展及作用機制,分析了傳統(tǒng)拉曼散射與表面增強拉曼散射的特點與制約因素?；诒砻娴入x激元增強特性,介紹TERS的基本原理及構(gòu)成。在TERS技術(shù)中,金屬針尖作為其結(jié)構(gòu)的核心之一,針尖的合成材料、形貌特征等重要參數(shù)會直接影響TERS信號。在物質(zhì)及生物科學(xué)研究中,依托TERS的高靈敏度及無損檢測等優(yōu)勢,也常利用TERS技術(shù)完成相關(guān)的檢測及表征工作。同時TERS技術(shù)在教育教學(xué)方面扮演著極為重要的角色。作為儀器輔助教學(xué)的方式,將TERS研究同教研及學(xué)科交叉領(lǐng)域相融合,能夠進(jìn)一步地加深TERS技術(shù)特點的理解。

2 TERS的基本原理

拉曼散射是指當(dāng)激光與物質(zhì)相互作用時,部分光子會被散射并發(fā)生頻率變化,這種頻率變化即為拉曼散射。拉曼散射譜是分子特有的指紋譜,可以提供分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等信息。然而,由于拉曼散射信號很弱,通常需要大量的樣品,且常常受到背景干擾和信號疊加等問題的影響[16]?；趥鹘y(tǒng)拉曼散射的不足,Fleischmann教授團(tuán)隊于1974年在粗糙銀電極表面探測到單分子層吡啶分子的高質(zhì)量的SERS信號[17]。隨后,Van Duyne等人利用模擬計算和實驗發(fā)現(xiàn)在粗糙銀表面吸附的吡啶分子拉曼信號強度相較于分散在液相中的拉曼信號強度增強了近6個數(shù)量級,該研究驗證了與粗糙表面有關(guān)的增強效應(yīng),即表面增強拉曼散射[18]。表面增強拉曼散射效應(yīng)是一種利用金屬表面上局部電場增強拉曼信號的技術(shù),通過將待測物質(zhì)吸附在金屬納米結(jié)構(gòu)表面,可以大幅提高其拉曼信號強度。然而,表面增強拉曼散射的應(yīng)用受到金屬表面制備的限制,對金屬納米結(jié)構(gòu)的形狀、大小、間距等要求較高,且信號受到金屬表面衍射極限的限制,很難突破分辨率上限[19-21]。

TERS技術(shù)則是在表面增強拉曼散射的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來的技術(shù),它利用納米針尖的局部電場效應(yīng)將拉曼信號進(jìn)一步增強。在TERS技術(shù)中,針尖被制備成納米尺度,其尖端與樣品表面接觸,使樣品分子處于針尖的極強局部電場區(qū)域內(nèi),從而產(chǎn)生強烈的拉曼信號增強效應(yīng)。TERS技術(shù)的優(yōu)點在于能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度、高空間分辨率和非破壞性的表征,同時也避免了金屬表面的局限性[22]。TERS技術(shù)是利用金屬針尖放大了光的強度,使其在針尖周圍產(chǎn)生強烈的電場,從而放大了物質(zhì)的拉曼散射信號。一般來說,TERS技術(shù)是通過在掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscopy,SPM)中集成一個納米尖端,利用掃描探針顯微鏡的定位能力和高分辨率的光學(xué)成像技術(shù),將針尖定位在所需的位置,然后測量物質(zhì)的拉曼散射信號。針尖增強拉曼散射技術(shù)的發(fā)展歷史最早可以追溯到1980年代初期的掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopy,STM)和原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)的發(fā)明[23-25]。在STM和AFM技術(shù)的基礎(chǔ)上,1999年,科學(xué)家提出了一種利用納米針尖的極小尺寸和高電場增強效應(yīng),將激光與樣品的相互作用強度提高,從而實現(xiàn)高靈敏度的拉曼光譜測量系統(tǒng)[26-28]。然而,較低的分辨率仍不足以讓研究者們分析單個分子的物理化學(xué)信息,直到2013年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)董振超團(tuán)隊基于STM與高強度局域電磁場金屬尖端,在超真空及液氮溫度條件下實現(xiàn)了亞分子尺度下的單個分子TERS成像。該實驗的成功實現(xiàn)了對單分子近0.5nm的空間分辨率并具有化學(xué)識別能力[29]。此后,TERS技術(shù)在分子光譜學(xué)、表面科學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[30]。近年來,針尖材料、針尖形狀、激光光源、圖像處理等技術(shù)的不斷改進(jìn),使TERS技術(shù)在成像分辨率、測量速度和信噪比等方面不斷提高,成為表征納米結(jié)構(gòu)和分子級別研究的重要工具之一,研究者們對TERS系統(tǒng)的改進(jìn)與設(shè)計使其在教育教學(xué)及科學(xué)研究方面極具潛力[31]。TERS技術(shù)的核心是針尖增強效應(yīng)(Tip-Enhanced Effect,TEE),當(dāng)激光照射在針尖的表面上時,產(chǎn)生的電場可以增強被測樣品表面的電磁波,進(jìn)而增強樣品的拉曼信號。表面等離激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)效應(yīng)是改變局域電場的直接原因之一。表面等離激元是在金屬表面上存在的一種倏逝波,也是電磁波與金屬表面的自由電子相互作用的結(jié)果。當(dāng)電磁波在金屬表面上傳播時,它的電場與金屬表面的自由電子相互作用,導(dǎo)致表面電荷密度的振蕩,從而引發(fā)表面等離激元共振的產(chǎn)生[32]。表面等離激元共振的產(chǎn)生與金屬的折射率、表面形貌、表面材料等有關(guān),具有高靈敏度、局域增強等優(yōu)點,因此在化學(xué)、物理、生物學(xué)等領(lǐng)域廣受應(yīng)用[33]。通過將激光和針尖的位置控制在納米尺度范圍內(nèi),可以實現(xiàn)高分辨率的拉曼成像,并有效降低背景干擾和信號疊加的影響。TERS技術(shù)需要利用特殊的針尖探頭,這些針尖通常由金屬或者納米纖維制成,通過在金屬針尖表面涂覆樣品或?qū)⑨樇庵苯咏佑|到樣品表面,可以實現(xiàn)對樣品的高靈敏度探測。如圖1所示,整個TERS技術(shù)結(jié)構(gòu)的核心之一是金屬針尖。這些金屬針尖形貌和金屬種類的改變也會對最終的拉曼散射效應(yīng)產(chǎn)生影響。同時,由于探頭表面的針尖可以起到局域化電場增強作用,從而增強樣品的拉曼信號,使得TERS技術(shù)比傳統(tǒng)的拉曼光譜技術(shù)具有更高的信噪比和更高的空間分辨率[34-36]。

表面等離激元共振效應(yīng)是一種基于金屬表面局部電場增強的現(xiàn)象,當(dāng)金屬表面與光共振時,電子在金屬表面上發(fā)生共振振蕩,形成表面等離激元共振并增強局部電場效應(yīng),使得鄰近分子的電荷分布發(fā)生變化,進(jìn)而實現(xiàn)探針分子的拉曼散射信號增強,這就是表面增強拉曼散射效應(yīng)。TERS技術(shù)是利用納米針尖的局部電場效應(yīng)將拉曼信號進(jìn)一步增強。在TERS技術(shù)中,針尖被制備成納米尺度,其尖端與樣品表面接觸,使樣品分子局域在針尖的極強局部電場區(qū)域內(nèi),從而產(chǎn)生強烈的拉曼信號增強效應(yīng)[37]。因此,針尖的制備過程中,常常涉及到金屬表面等離子體的激發(fā)和局部電場的調(diào)控。同時,SPR和TERS也可以相互輔助,例如利用SPR技術(shù)測量金屬表面上的分子吸附行為,可以確定SERS/TERS實驗中金屬納米結(jié)構(gòu)的最佳制備條件,從而提高SERS/TERS技術(shù)的靈敏度和穩(wěn)定性[38]。

常見的TERS的激發(fā)光路結(jié)構(gòu)一共有四種,分別是底部入射激發(fā),側(cè)面入射激發(fā),頂部入射激發(fā)以及反射式入射激發(fā),在最初的TERS研究中常采用底部入射激發(fā)方式,但該方式并不適用于非透明基底,激光無法穿透非透明樣品照射金屬尖端。側(cè)面入射激發(fā)和頂部激發(fā)的激光是從金屬尖端和樣品上方照射至樣品與金屬尖端處。但是由于設(shè)備體積的限制,不能以最小距離靠近樣品基板,因此需要具有小數(shù)值孔徑的物鏡將入射光聚焦在金屬尖端處。側(cè)面入射激發(fā)方式中,物鏡與金屬尖端之間存在一定角度,形成的陰影會影響信號的強度和采集。頂部入射激發(fā)方式中,激光的垂直照射可以消除傾斜陰影造成的信號損失,然而,上方的機械懸臂仍然會產(chǎn)生部分陰影。反射式入射激發(fā)能夠使入射光經(jīng)物面鏡反射后聚集在TERS金屬尖端,更好地解決陰影對信號收集的影響。但是,入射光的反射損耗以及鏡面清潔度也會影響收集到的拉曼信號。

目前,TERS的實現(xiàn)需要一些特殊的實驗條件,包括高分辨率顯微鏡、穩(wěn)定的激光源、高靈敏度探測器和納米尖端探針等。圖2為TERS的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在TERS實驗中,激光光束照射在針尖表面上,特定波長的激發(fā)光會與金屬針尖表面自由電子的本征振蕩相互耦合,激發(fā)金屬表面等離激元共振效應(yīng),產(chǎn)生極大的局域電場并集聚在金屬針尖的尖端。當(dāng)樣品與針尖的距離足夠近時,針尖的電場會在樣品表面上形成強烈的電場梯度,進(jìn)而引起樣品分子的拉曼散射。在針尖位置,拉曼散射光將經(jīng)過針尖的近場增強,進(jìn)一步提高拉曼信號強度。通過在樣品的不同位置掃描針尖,可以獲得空間分辨率在單納米量級的拉曼光譜圖像[39]。

圖2 TERS設(shè)備系統(tǒng)示意圖

3 TERS針尖研究進(jìn)展

在TERS技術(shù)中,金屬針尖是整個TERS系統(tǒng)中最為重要的組成部分。金屬針尖可以通過其表面等離子體共振效應(yīng)來增強光場,并在針尖尖端產(chǎn)生極強的局域電場。這個局域電場可以將樣品表面的分子擠壓到針尖尖端的極小體積內(nèi),從而使得拉曼信號增強數(shù)千到數(shù)百萬倍,大幅提高TERS信號的靈敏度和分辨率。使用金屬針尖作為探針,TERS技術(shù)可以對樣品表面進(jìn)行高分辨率成像。由于金屬針尖可以在樣品表面掃描并產(chǎn)生高分辨率的拉曼信號,使得TERS成像可以實現(xiàn)納米級別的空間分辨率。此外,金屬針尖還可以在樣品表面對分子進(jìn)行局部激發(fā),并從針尖尖端收集拉曼信號。通過這種方式,TERS技術(shù)可以獲得樣品表面的分子光譜學(xué)信息,并可以通過針尖的位置精確地確定分子的位置和化學(xué)結(jié)構(gòu)。金屬針尖在TERS技術(shù)中扮演著非常重要的角色,它的制備和優(yōu)化、形態(tài)和尺寸的控制以及與樣品之間的相互作用等方面的研究將會進(jìn)一步推動TERS技術(shù)的發(fā)展。

金屬針尖的制備方法包括電化學(xué)腐蝕、離子束磨蝕和機械削切等。其中,電化學(xué)刻蝕是最常用的制備方法之一,它可以制備出形狀規(guī)則、尺寸可控的金屬針尖。在電化學(xué)刻蝕方法中,金屬針尖通常是在電解液中通過加電位的方式制備的,電解液的成分和條件對金屬針尖的形態(tài)和尺寸具有重要的影響,并且較低的制造成本,穩(wěn)定性高的針尖質(zhì)量和制造過程簡單是電化學(xué)刻蝕制備金屬針尖的優(yōu)勢[40]。然而,利用強酸作為刻蝕劑進(jìn)行針尖制備時的安全性問題也是目前該方法的制約因素之一。此外,刻蝕劑所帶來的強酸性蒸汽會對電化學(xué)刻蝕系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕效應(yīng),降低其使用壽命,并且可能會在針尖制造過程中造成實驗誤差。Jeong團(tuán)隊針對此設(shè)計了一種基于氯化鉀和乙醇混合溶液的金屬針尖電化學(xué)刻蝕系統(tǒng),利用氯離子刻蝕金絲是整個實驗的關(guān)鍵因素[41]。Au會在刻蝕過程中不穩(wěn)定存在并最終溶解在含有氯離子的溶液中,因此選用KCl與乙醇的混合溶液能夠降低刻蝕劑的腐蝕性,從而提高針尖制備的良品率。

實驗中的電化學(xué)刻蝕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示,Au線連接到發(fā)生器的正極,Pt環(huán)連接到發(fā)生器的負(fù)極,從而實現(xiàn)對Au線的陽極刻蝕,而位于陰極的Pt環(huán)會浸入到溶液表面處的混合刻蝕溶液中。在刻蝕過程中將乙醇添加至KCl刻蝕溶液中,用來平滑刻蝕針尖的表面并控制刻蝕速度。整套刻蝕系統(tǒng)利用步進(jìn)電機實現(xiàn)對金線的高度連續(xù)可調(diào)。所有儀器結(jié)構(gòu)及控制設(shè)備統(tǒng)一連接至計算機從而實現(xiàn)全程自動化刻蝕。圖3(b)至(d)分別展示了在一定的峰值幅度、背景值、頻率及占空比下,利用Au針尖的表征圖像來比較與針尖相關(guān)的形狀和參數(shù),從而優(yōu)化乙醇與KCl溶液的體積比,實現(xiàn)Au針尖的制備。如圖3(b)所示,只利用KCl溶液刻蝕時,針尖的刻蝕后形狀類似針樹葉,側(cè)面的平滑度與均勻性較差。如圖3(c)所示,當(dāng)體積比為3:1時,得到的Au針尖形狀類似尖珊瑚,形貌表現(xiàn)較差。如圖3(d)所示,體積比為4∶1會產(chǎn)生鋒利的針尖,但Au針尖頂點的并不平整。此外,以1∶1和2∶1的比例使用KCl溶液和乙醇會導(dǎo)致與沉淀相關(guān)的問題,無法得到形貌較好的Au針尖。作者考慮通過以微小的步驟調(diào)整電位偏壓來進(jìn)行電化學(xué)刻蝕能夠?qū)崿F(xiàn)對尖端曲率和錐角的控制。通過實驗發(fā)現(xiàn),施加2.417 V的偏置電壓制造了具有大約37 nm的最小直徑的刻蝕針尖,如圖3(e)所示。這項電化學(xué)刻蝕系統(tǒng)研究一方面能夠克服強酸腐蝕劑所帶來的安全問題,另一方面利用步進(jìn)電機的準(zhǔn)確調(diào)控性,提升了針尖制備工藝,良品率從65%提高到近95%。此外,尖端頂端位置的半徑標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著降低,并且有效控制了電化學(xué)刻蝕工藝的成本效益。該研究設(shè)計了單根金絲浸入刻蝕劑,實現(xiàn)刻蝕后并返回起始位置。但是僅控制單根金絲升降的自動化程度有限,針對提升刻蝕過程的效率仍具有發(fā)展空間。

圖3 (a)電化學(xué)刻蝕自動化系統(tǒng)示意圖。(b)純KCl溶液刻蝕針尖。(c)乙醇與KCl配比為3∶1混合溶液刻蝕針尖。(d)乙醇與KCl配比為4∶1混合溶液刻蝕針尖。(e)添加偏置電壓刻蝕尖端[41]

針尖的尖端形貌、尺寸、材質(zhì)以及表面化學(xué)成分等都會對TERS的信號強度以及分辨率產(chǎn)生影響。在TERS系統(tǒng)中,尖端通常采用金屬或金屬化尖端結(jié)構(gòu),使其能夠在針尖表面的附近形成局部電磁場增強效應(yīng)。尖銳的金屬尖端(曲率半徑R: 10 nm-50 nm)可以顯著增加局部尖端的電荷密度,換句話說,金屬尖端決定了樣品的空間分辨率和分子拉曼信號的增強。金屬尖端的半徑(曲率)也會影響TERS的空間分辨率和局部電磁場增強。當(dāng)絕緣體(玻璃等)作為襯底基板時,尖端和基板之間不會產(chǎn)生SPR效應(yīng)。如圖4(a)所示,這種情況下金屬尖端在場增強中起著至關(guān)重要的作用。金屬尖端的直徑越小,TERS的增強效果越顯著。如圖4(b)所示,當(dāng)金屬針尖與金屬基底發(fā)生耦合作用時,針尖直徑為10 nm之內(nèi)時,局域電磁場增強尤為明顯。隨著針尖直徑從15 nm增加到50 nm,分子拉曼信號的增強效果逐漸提升。如果金屬尖端的直徑超過50 nm,增強效果將不再發(fā)生顯著變化[42]。

圖4 (a)和(b)分別為銀針尖與玻璃基板,金針尖與金基板結(jié)構(gòu)中,針尖半徑的變化對針尖-基板間的空間分辨率和電場強度的影響。[42](c)至(f)分別為常見的四種不同結(jié)構(gòu)金屬針尖掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)形貌表征[43]

到目前為止,在TERS實驗研究中常見的四種常見的金屬尖端形貌如圖4(c)至(f),分別為頂部吸附單顆粒金屬納米粒子尖端結(jié)構(gòu)、表面吸附多顆粒金屬納米粒子的尖端結(jié)構(gòu)、表面涂覆的尖端結(jié)構(gòu)和純金屬尖端[43]。前三種結(jié)構(gòu)通常用于AFM-TERS系統(tǒng),最后一種純金屬尖端結(jié)構(gòu)通常用于STM-TERS系統(tǒng)。對于涂覆型針尖制備,Ryo等人提出了一種高效制備單側(cè)光滑銀層覆蓋的錐型AFM-TERS針尖,增強因子達(dá)到104,重現(xiàn)性極高[44]。如圖5(a)至(b)所示,將Si針尖在1000℃下高溫氧化20分鐘,使硅基材針尖轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸鑼崿F(xiàn)折射率變化。一方面,氧化硅的低消光系數(shù)能夠忽略吸收,另一方面,氧化硅針尖具有更好的增強效應(yīng)。利用熱蒸發(fā)方式,通過高蒸發(fā)速率在其表面沉積一層光滑的銀膜,蒸發(fā)角度為垂直于針尖表面,實現(xiàn)光滑鍍層。圖5(b)展示了在銀沉積后的SEM表征結(jié)果,針尖鍍層表面光滑且平整,相較于傳統(tǒng)熱蒸發(fā)方式制備針尖的粗糙顆粒狀表面差異明顯。在光譜表征方面,作者對金膜上的羅丹明6G、聯(lián)苯-4-硫醇和對硝基苯硫酚分子分別進(jìn)行了TERS光譜采集,如圖5(c)至(e)所示,均表現(xiàn)出相同量級的增強因子(104至105),因此說明在氧化硅表面所沉積40 nm厚的銀層可以使空間分辨率和增強效果達(dá)到較好的平衡。

圖5 (a)針尖制備示意圖。(b)針尖SEM表征圖。(c)羅丹明TERS信號。(d)聯(lián)苯-4-硫醇TERS信號。(e)對硝基苯硫酚TERS信號[44]

對于針尖制備而言,常見的制備方法是通過真空蒸鍍法來實現(xiàn)金屬尖端的制備,并且有利于大規(guī)模制備金屬針尖。但是制備的重現(xiàn)性不夠高,同鍍膜針尖的穩(wěn)定性不夠好是制約該制備技術(shù)的因素?；阢y納米線制備TERS針尖的技術(shù)具有較高的拉曼活性及表征穩(wěn)定性,能夠彌補真空蒸鍍技術(shù)的缺陷[45]。然而,通常利用該方法制備的納米線長度為2 μm-20 μm區(qū)間范圍內(nèi),穩(wěn)定性不佳。特別是利用較長的納米線針尖在進(jìn)行TERS成像表征時,穩(wěn)定性下降明顯。為了解決這一問題,Fujita等人提出了基于交流電在氣液界面實現(xiàn)電切割的技術(shù),能夠制備長度可控的納米線TERS針尖[46]。

首先將制備得到的銀納米線組裝在AFM針尖頂點上,隨機的突出長度為10 μm左右。之后,將此針尖放置在聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone,PVP)水溶液中,并施加特定頻率和幅值的交流脈沖。在交流電熱效應(yīng)與電場誘導(dǎo)剪切力作用下,在氣液界面將納米線切斷,如圖6(a)至(e)。之后,他們將切割后的納米線針尖放置在不同PVP濃度配比和酸堿度的HAuCl4溶液中,基于可控置換反應(yīng)的發(fā)生,不僅會在銀納米線上生成金納米結(jié)構(gòu),還會導(dǎo)致銀納米線內(nèi)部形成空隙,將大大提高探針的TERS性能。所生長出的金納米結(jié)構(gòu)作為保護(hù)層,能夠有效防止銀納米線被過度氧化。如圖6(f)至(i)所示,從形貌表征結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn),不同PVP濃度配比和酸堿度的HAuCl4溶液中獲得的銀納米線針尖具有不同的形貌。作者利用該剪切方法能夠獲得長度可控的銀納米線TERS針尖,實現(xiàn)了納米線針尖制備的長度可控。此外,通過置換反應(yīng)可以在銀納米線表面鍍層金納米結(jié)構(gòu),使銀納米線得到有效保護(hù),同時增加針尖使用壽命。

圖6 (a)未剪切的納米線形貌表征。(b)至(d)為剪切納米線過程表征。(e)剪切后的納米線形貌表征。(f)至(i)是在不同PVP與HAuCl4溶液配比以及酸堿度混合溶液浸泡后納米線的形貌表征[46]

針尖材質(zhì)的選擇區(qū)別于不同的研究內(nèi)容以及金屬本身的共振效應(yīng)及穩(wěn)定性等因素,往往采用Au、Ag、Cu和Al作為TERS針尖的材料選擇。為了在可見光波段產(chǎn)生高強度的自由電子密度和SPR效應(yīng),通常使用Au或Ag來制備TERS的金屬尖端。根據(jù)Taguchi等人的報道,作為常見的TERS尖端材料,Au在620 nm至750 nm波長范圍內(nèi)具有良好的增強效果。Ag在490 nm至550 nm波長范圍內(nèi)具有顯著的局部電磁場增強作用。在380 nm至455 nm紫外和深紫外波段,Al具有較好的增強效果。特別是在使用TERS系統(tǒng)研究不同生物樣品的電子振動特性時,Al獨特的物理性質(zhì)使其成為首選[47]。對于制備完成后的金屬針尖,如何避免污染、氧化等問題有效地保存,同樣也是研究者們的關(guān)注點。Mahapatra等人基于電化學(xué)制備銀針尖的方法,提出了一種在高壓環(huán)境下防止銀針尖技術(shù)被氧化的保存技術(shù),并發(fā)現(xiàn)氬離子(Ar+)濺射能夠進(jìn)一步除去針尖表面的雜質(zhì)。實驗制備得到的針尖可以在不同波長的激光照射下驗證其TERS增強活性,并且通過該濺射保護(hù)方法,針尖的TERS活性能夠保持超過60天。同時,該方法還能夠?qū)ξ搅朔肿拥尼樇膺M(jìn)行有效清潔,極大地提升針尖的潔凈程度[48]。

4 TERS技術(shù)在物質(zhì)、生命科學(xué)方面研究進(jìn)展

TERS技術(shù)在生物學(xué)、材料科學(xué)和納米科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在生物學(xué)領(lǐng)域,TERS技術(shù)可以用于單細(xì)胞分析、蛋白質(zhì)分析和細(xì)胞成像等。通過使用金屬探頭,TERS技術(shù)可以實現(xiàn)對單細(xì)胞的高靈敏度分析,同時提高分辨率,可以實現(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的探測。在蛋白質(zhì)分析方面,TERS技術(shù)可以通過探測蛋白質(zhì)的振動模式來實現(xiàn)高靈敏度的檢測。此外,TERS技術(shù)還可以用于分析DNA/RNA的結(jié)構(gòu)和功能,為揭示生物遺傳特性提供幫助。

在生物醫(yī)學(xué)研究中,納米尺度范圍下對細(xì)胞膜的無創(chuàng)表征和無標(biāo)記分析是細(xì)胞學(xué)研究的重要一環(huán)。但是,極高的靈敏度和空間分辨率要求通常使傳統(tǒng)分析工具無法應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。TERS系統(tǒng)作為一種強大的分析工具,能夠在單顆粒納米尺度范圍內(nèi)完成物質(zhì)分析及表征實驗,彌補了傳統(tǒng)儀器分別率及靈敏度的不足。Zenobi團(tuán)隊利用TERS系統(tǒng)在垂直方向上以亞分子分辨率的尺度,成功實現(xiàn)對雙層二棕櫚酰磷脂酰膽堿(Dipalmitoylphosphatidylcholine,DPPC)和人體胰腺癌細(xì)胞膜的分析表征[49]。如圖7(a)至(b)所示,在實驗中,作者使用底部照射方式的AFM-TERS系統(tǒng)研究了玻璃基板上的雙層DPPC,并獲得了雙層DPPC的AFM形貌表征圖像,近79%的面積被雙層脂質(zhì)所覆蓋,紅點所覆蓋區(qū)域為執(zhí)行TERS測量的選取點。根據(jù)圖7(c)的TERS光譜能夠發(fā)現(xiàn),整個C-H光譜區(qū)域的寬度較窄,2900 cm-1峰位處的強度是2959 cm-1峰位處強度的近3倍,而這兩個峰位分別對應(yīng)了C-H兩種不同的成鍵方式和鍵能。隨后,他們在人類胰腺癌細(xì)胞中測量的TERS光譜如圖7(d)所示。在2908 cm-1和2966 cm-1兩個峰位與圖7(c)中的相接近。其余的峰位推測應(yīng)為TERS探針收集到的來自遠(yuǎn)場(細(xì)胞表面和/或表面下)信號而非近場局部信號。這說明采集到雙層DPPC的TERS光譜具有獨特C-H形狀帶同時也能夠在人類胰腺癌細(xì)胞中重復(fù)觀測到。并且,實驗中得到的光譜結(jié)構(gòu)和模擬數(shù)據(jù)能夠說明,DPPC中的TERS信號來源于脂質(zhì)膽堿頭組中CH3基團(tuán)振動。這項研究中的可重復(fù)TERS實驗結(jié)果說明,TERS在普通環(huán)境條件下能夠?qū)χ|(zhì)膜進(jìn)行納米分析,且具有超高的靈敏度和亞分子級分辨率,并能夠?qū)ι锓肿拥奶囟ú糠诌M(jìn)行區(qū)域選擇性信號增強。這項研究的結(jié)果有助于使用TERS系統(tǒng)對生物膜進(jìn)行納米級化學(xué)分析研究。

圖7 (a)底部照射式TERS結(jié)構(gòu)示意圖。(b)雙層DPPC的AFM形貌表征。(c)DPPC的TERS光譜。(d)人類胰腺癌細(xì)胞的TERS光譜[49]

作為最小生命單位細(xì)胞的最外層結(jié)構(gòu),細(xì)胞膜除了起到保護(hù)作用外,還是細(xì)胞生命過程的平臺,起到了分子運輸、信號傳遞等作用。然而,對于細(xì)胞膜上的分子排布及相互作用的機制研究尚不明確。由于傳統(tǒng)設(shè)備的有損檢測,往往會在檢測時對細(xì)胞形成破壞。因此,利用TERS技術(shù)對細(xì)胞膜進(jìn)行非侵入式無損檢測逐漸興起。利用TERS系統(tǒng)針對胰腺癌細(xì)胞的研究,Zenobi團(tuán)隊還實現(xiàn)了對細(xì)胞膜的前置研究[50]。他們在普通環(huán)境條件下,對胰腺癌細(xì)胞(BxPC-3)實現(xiàn)了無損非標(biāo)記性TERS檢測。圖8(a)是用到的AFM-TERS結(jié)構(gòu),采用底部照射的方式對玻片表面的BxPC-3細(xì)胞進(jìn)行分析。單個BxPC-3細(xì)胞的AFM形貌表征如圖8(b)所示,與之對應(yīng)的TERS區(qū)域熱點成像如圖8(c)所示。圖8(d)為在圖8(c)中熱點圖中,中心區(qū)域1和非中心區(qū)域2的拉曼光譜。能夠明顯的發(fā)現(xiàn),圖8(d)中信號1的分辨率明顯高于信號2,特別是綠色區(qū)域部分為在探針頂點附近采集到的拉曼信號,具有更高的信號強度。圖8(e)與圖8(f)分別為常規(guī)共聚焦拉曼和利用AFM-TERS系統(tǒng)采集到的BxPC-3細(xì)胞拉曼信號。對比可以發(fā)現(xiàn),光譜特征峰基本相同時,利用TERS技術(shù)能夠檢測到更多的拉曼光譜特征峰,并擁有更高的信噪比。此外,僅200 μW的激發(fā)光功率即可通過TERS對細(xì)胞膜實現(xiàn)2.5 nm空間分辨率的檢測。這項研究能夠進(jìn)一步說明TERS技術(shù)在生物細(xì)胞檢測方面具有極大的潛在應(yīng)用價值,對分析微觀細(xì)胞結(jié)構(gòu)組成及生化特性能夠提供有效幫助。

圖8 (a)TERS底部照明結(jié)構(gòu)。(b)單個BxPC-3細(xì)胞的AFM形貌表征。(c)單個BxPC-3細(xì)胞的TERS熱點圖像。(d)在TERS熱點圖像中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的拉曼光譜。(e)BxPC-3細(xì)胞的共聚焦拉曼散射光譜。(f)BxPC-3細(xì)胞的TERS光譜[50]

DNA作為一種大分子聚合物,其攜帶的遺傳信息對生物科學(xué)研究十分重要。但作為一種微觀生物物質(zhì),對DNA的結(jié)構(gòu)及攜帶的脫氧核糖、堿基等信息的無損研究檢測較為困難。TERS本身作為一種非接觸式無損檢測手段能夠很好的避開生物性損壞。Lipiec等人提出了一種用于高效DNA測量的TERS技術(shù),他們利用三種不同的TERS針尖結(jié)構(gòu)對DNA的光譜信號進(jìn)行研究[51]。圖9(a)是DNA靜電沉積在原子級Au基板表面的AFM表征結(jié)果。能夠在圖中明顯的區(qū)分DNA層,DNA鏈狀結(jié)構(gòu)以及Au襯底,而這個結(jié)構(gòu)也用于TERS光譜表征的對照實驗。

圖9 (a)金襯底表面DNA結(jié)構(gòu)的AFM表征圖像。(b)至(d)分別為使用三種不同針尖結(jié)構(gòu)對DNA表征后的拉曼光譜對比[51]

如圖9(b)至(d)所示,三種不同的AFM-TERS探針分別涂有Ag/Au,純Au以及Ti/Au。涂有Ag/Au的針尖表現(xiàn)出相對較高的TERS信號增強,但由于信號穩(wěn)定性低,并不能用于TERS映射。純Au探針的TERS信號增強并不明顯,信噪比值不足,更無法觀察光譜中的DNA特征帶。相比之下,Ti/Au涂層的TERS探針提供了最高的信號穩(wěn)定性和相對較高的信噪比,能夠在光譜信號中明顯地區(qū)分出不同結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的特征峰結(jié)構(gòu)。使用具有靜電沉積Au襯底的DNA分子層和Ti/Au涂層AFM-TERS針尖能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度檢測,并無需標(biāo)記即可提供有關(guān)分析物化學(xué)結(jié)構(gòu)的高度分辨局部信息。該方法為進(jìn)一步研究DNA損傷及其修復(fù)機制以及分子生物學(xué)提供了堅實的基礎(chǔ)。

在物理化學(xué)領(lǐng)域,TERS技術(shù)可以用于表面等離子體共振和納米材料的研究。通過使用金屬探針,TERS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對表面等離子體的高靈敏度分析,同時可以實現(xiàn)對納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的探測。同時,TERS技術(shù)可以用于納米結(jié)構(gòu)的制備和修飾,并對納米材料的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。通過使用金屬針尖,TERS技術(shù)可以實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的高靈敏度分析,并且可以實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的形貌和組成的探測。

二維過渡金屬二硫化物是低維材料及物理化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點,由于量子限域效應(yīng)和較大的比表面積,較大帶隙與較低熱電子產(chǎn)率使其能夠影響表面催化反應(yīng)概率和反應(yīng)效率。MoS2片狀結(jié)構(gòu)在二維形式中展示出直接帶隙,這為儲能、光電設(shè)備和生物傳感應(yīng)用帶來了可能。金屬納米顆粒所與MoS2組成的混合結(jié)構(gòu)會因LSPR效應(yīng)與MoS2激子之間相互作用,進(jìn)一步提升傳感、催化和光伏應(yīng)用效率。Farhat等人對MoS2層狀結(jié)構(gòu)的TERS信號展開研究,并利用金納米顆粒修飾,追蹤MoS2片狀結(jié)構(gòu)中A1g和E2g的特征峰變化[52]。圖10(a)顯示了SiO2/Si襯底上單層和多層MoS2的AFM表征圖像。單層和多層MoS2的平均TERS光譜如圖10(b)所示。對于單層、雙層和多層MoS2而言,與A1g拉曼模式相關(guān)的波數(shù)分別位于402.2 cm-1、403.5 cm-1和406.1 cm-1。此外,單層、雙層和多層的E2g拉曼模式分別出現(xiàn)在383.3 cm-1、382.7 cm-1和380.0 cm-1。當(dāng)增加層數(shù)時,A1g模式轉(zhuǎn)移到更高的拉曼位移,E2g模式轉(zhuǎn)移到更低的拉曼位移。A1g和E2g分別顯示藍(lán)移和紅移,這歸因于層間范德華力與MoS2薄片層數(shù)間的影響。圖10(c)是對應(yīng)AFM圖像的TERS成像,對應(yīng)于A1g模式(藍(lán)色)和E2g模式(綠色)的強度變化。圖10(d)是經(jīng)過金納米顆粒修飾后的MoS2結(jié)構(gòu)AFM表征結(jié)果。圖10(e)說明得益于等離激元-激子相互耦合,經(jīng)過金納米顆粒修飾后MoS2結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生更強的TERS光譜強度。對應(yīng)的三種模式的原位TERS表征如圖10(f)所示。該實驗為研究二維金屬過渡二硫化物與金屬納米結(jié)構(gòu)之間的耦合效應(yīng)提供了有效的檢測方案。

圖10 (a)MoS2的AFM表征圖像。(b)單層和多層MoS2的平均TERS光譜。(c)對應(yīng)AFM圖像的TERS成像。(d)金納米顆粒修飾后的MoS2的AFM表征圖像。(e)純MoS2與經(jīng)過金納米顆粒修飾后MoS2的的TERS光譜。(f)對應(yīng)AFM圖像的TERS成像[52]

Miranda團(tuán)隊針對借助TERS技術(shù)對石墨烯納米片完成成像的同時,成功檢測到低轉(zhuǎn)角雙層石墨烯晶格重構(gòu)所引起的剪切孤子寬度,以及石墨烯邊緣缺陷誘導(dǎo)光發(fā)射的范圍[53]。

圖11(a)是位于玻片上石墨烯納米片TERS表征圖像。對于橫向尺寸大于100 nm的石墨納米片附近,能夠發(fā)現(xiàn)一些典型的圓形形狀,即虛線表示。圖11(b)是圖11(a)中虛線方框放大圖像,這些圓形特征均來自小于10 nm的石墨烯納米片。作者發(fā)現(xiàn),這些響應(yīng)為圓形形狀均由TERS針尖輻射場同石墨烯納米片空間卷積所形成。圖11(c)至(e)是TERS針尖尖端模擬電場分布的設(shè)計與模擬結(jié)果,可以說明石墨烯納米片的圓形響應(yīng)成像符合針尖尖端模擬電場分布的特征。尖端頂部電場分布成像的中心場強近乎為零,從而使TERS成像中出現(xiàn)了圓形形狀。圖11(f)是將石墨烯納米片與激發(fā)場做卷積后,獲取TERS成像的理論模擬結(jié)果。若樣品恰好位于尖端的正下方中心處,強度值為最小。若通過石墨烯納米片中心圓形形狀向外掃描時,會出現(xiàn)拉曼散射的最大值。作者在研究中設(shè)計了一個基于單偶極子場的模型,可以用于精確描繪微小拉曼系統(tǒng)的點擴散函數(shù),并可以在環(huán)境條件下通過納米光學(xué)測量中的分辨率表征,從系統(tǒng)中獲得結(jié)構(gòu)信息。該研究表明,利用此模型可以直接探測到具有聲子介導(dǎo)的非彈性光會從石墨烯納米片邊緣發(fā)射衰減,從而可以得到轉(zhuǎn)角與堆疊關(guān)系中的高精度數(shù)據(jù)。這一研究對低維材料組合系統(tǒng)器件的開發(fā)與構(gòu)成提供了新的設(shè)計思路。

圖11 (a)石墨烯納米片TERS表征圖像,其中虛線框的放大圖為(b)。(c)模擬計算的結(jié)構(gòu)示意圖。(d)模擬后的橫向場強分布圖。(e)TERS縱向(橙色)與橫向(藍(lán)色)分量平方振幅的線剖面。(f)重建(b)中所示的TERS成像[53]

5 TERS技術(shù)在教學(xué)科研方面研究進(jìn)展

TERS系統(tǒng)是借助于高分辨顯微系統(tǒng)與增強拉曼散射結(jié)合而研發(fā)出的現(xiàn)代化表征手段,對物理化學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的教育教學(xué)中起到了巨大的作用。在教學(xué)科研工作中,針對TERS系統(tǒng)的儀器創(chuàng)新改進(jìn)、學(xué)科交叉發(fā)展的研究近些年也逐漸受到研究者們的重視。從TERS系統(tǒng)原理的深入理解,實現(xiàn)對TERS系統(tǒng)的功能化設(shè)計改造,并將TERS系統(tǒng)與其它學(xué)科相互融合漸漸成為了研究趨勢與熱點。

Fang等人基于STM設(shè)備搭建了HV-TERS系統(tǒng)[54]。HV-TERS系統(tǒng)主要由分析室、樣品制備室和快速上樣室組成,如圖12所示。在測量過程中,整個HV-TERS系統(tǒng)需要在10-7Pa的真空環(huán)境下運行。分析室是核心工作區(qū),主要由STM、拉曼檢測光路和物鏡(NA=0.5)組成。制樣室又稱分子束外延室,主要用于制備單晶金屬薄膜和分子膜?？煅b室可通過機械臂將分子束外延室制備的樣品(或系統(tǒng)外制備的樣品)運送至分析室。利用該HV-TERS系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)在納米尺度下無標(biāo)記監(jiān)測分子催化反應(yīng),并且可以同時激活紅外和拉曼振動模式、費米共振和一些在大氣TERS實驗中不能觀察到的其他非線性效應(yīng)。此外,高空間和光譜分辨率以及高真空的純凈環(huán)境有助于基礎(chǔ)表面科學(xué)的研究,對TERS儀器的搭建與改進(jìn)具有指導(dǎo)作用。Meng等人在該設(shè)計基礎(chǔ)上提出原位測量TERS和基于HV-TERS系統(tǒng)的尖端增強熒光(Tip Enhanced Florescence,TEF)模型[55]。模擬結(jié)果表明,原位測量光譜信號的最佳針尖-基板距離為2 nm。TERS和TEF的空間分辨率分別可以達(dá)到6.5 nm和10 nm。該工作為后續(xù)使用HV-TERS系統(tǒng)進(jìn)行TERS和TEF實驗提供了理論基礎(chǔ)和有效途徑。

圖12 (a)HV-TERS 系統(tǒng)示意圖。(b)分析室的結(jié)構(gòu)展示和照片。(c)快速裝載室的結(jié)構(gòu)圖像和照片。(d)分子束外延室的結(jié)構(gòu)示意圖和照片[54]

在材料物質(zhì)研究領(lǐng)域,實現(xiàn)單分子尺度下的檢測代表著檢測靈敏度的極限,納米科技與生物技術(shù)的快速發(fā)展讓越來越多的研究者在更多的體系中關(guān)注單分子檢測。TERS成像技術(shù)的發(fā)展在早期的工作中僅限于3 nm-15 nm,較低的分辨率不足以達(dá)到分析單分子物理化學(xué)信息的要求[56]。之后,隨著在液氮條件及超高真空TERS系統(tǒng)的出現(xiàn),檢測靈敏度及空間分辨率達(dá)到了0.15 nm,能夠?qū)崿F(xiàn)對單化學(xué)鍵的識別研究[57]?；诎＜壋叨认碌腡ERS系統(tǒng),他們以CO為研究對象,根據(jù)針尖靠近分子時的拉曼數(shù)據(jù)變化,分析了金屬尖端與分子間相互作用誘導(dǎo)漂移現(xiàn)象,整套TERS結(jié)構(gòu)與光路如圖13(a)所示[58]。在實驗中他們發(fā)現(xiàn),襯底Cu(100)表面上的單個CO分子與金屬尖端相互靠近時,C-O化學(xué)鍵會受到針尖會影響而弱化,進(jìn)而使分子產(chǎn)生跳躍和傾斜。根據(jù)進(jìn)一步實驗,分析TERS光譜實時變化,當(dāng)金屬尖端逐漸下降,CO分子發(fā)生傾斜,C-O鍵長度增加,逐漸與相鄰Cu原子產(chǎn)生相互作用,最終分子會躍至近鄰Cu原子。位于臨近Cu原子的CO分子會繼續(xù)與針尖發(fā)生相互作用,故依然會是相對傾斜的情況。針尖逐漸靠近,分子會持續(xù)傾斜直到第二次跳躍,從而實現(xiàn)CO分子從最初位置向?qū)欠较駽u原子的移動過程。這項研究說明了具有亞納米尺度分辨的TERS系統(tǒng)能夠在單化學(xué)鍵層面研究金屬尖端與分子間相互作用,揭示了誘導(dǎo)分子表面運動現(xiàn)象的機制,并且向表面化學(xué)反應(yīng)與催化微觀機制的研究提供了新方向。

圖13 (a)TERS結(jié)構(gòu)與光路。(b)左側(cè)是不同間隙距離的TERS光譜瀑布圖,右側(cè)為同時記錄針尖接近和縮回期間隧道電流的變化,兩個圓圈顯示了146 pm和96 pm間隙距離處的電流跳躍。(c)單個CO分子在Cu(100)表面上跳躍過程的兩種可能途徑[58]

Verma等人基于TERS成像原理,對TERS系統(tǒng)成像進(jìn)行了改進(jìn)并實現(xiàn)對WS2晶體近6小時的TERS成像時間[59]。圖14(a)是在金薄膜上覆蓋有大面積單層WS2的TERS結(jié)構(gòu)示意圖,金薄膜的參與并不會長時間降低TERS信號。依靠TERS結(jié)構(gòu)中的方位傳感器與機械反饋,整個成像系統(tǒng)能夠檢測表面缺陷和與缺陷相關(guān)的光學(xué)信號。如圖14(b)至(c)所示,在成像過程中,金屬針尖以步長10 nm逐漸掃過樣品表面同時拍攝圖像。每布獲得大量散射光后的配準(zhǔn)圖像過程需幾百毫秒,故采樣1平方微米的圖像約半個小時。在掃描拍攝過程中,金屬尖端逐漸離開水平位置,同時光學(xué)器件于垂直方向逐漸離開焦點,直至信號質(zhì)量降低并結(jié)束成像。此項TERS針尖漂移補償系統(tǒng)能夠有效提升樣品表面的可分析尺寸,為后續(xù)的TERS系統(tǒng)缺陷改進(jìn)提供思路。

圖14 (a)覆蓋有大面積單層WS2的TERS結(jié)構(gòu)示意圖。(b)WS2的A1g模式和D特征峰TERS強度圖像疊加。(c)A1g模式(紫色)和D特征峰(淺藍(lán)色)在7731和402位置點處的強度直方圖[59]

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種機器學(xué)習(xí)模型,可以模擬人腦神經(jīng)元之間的連接和信息傳遞過程。TERS技術(shù)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效的分析和解釋,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種強大的數(shù)據(jù)處理工具,可以幫助研究人員從中提取有價值的信息。以學(xué)科交叉為核心,通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,可以自動識別和分類TERS采樣后的拉曼數(shù)據(jù),實現(xiàn)對樣品結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和組成的準(zhǔn)確描述[60-62]。此外,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于圖像處理和重建,對TERS圖像進(jìn)行去噪、增強和超分辨率重建,提高圖像質(zhì)量和清晰度,從而增強樣品表面結(jié)構(gòu)的分析和解釋能力[63]。Broderick等人基于ResNet架構(gòu)提出了一種新的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型,能夠以更高的精度對生物樣本的增強拉曼光譜進(jìn)行分類[64]。如圖15(a)所示,模型需要對每個光譜進(jìn)行廣泛的基線校正和去噪,并進(jìn)行歸一化處理。經(jīng)過模型處理后的拉曼光譜與原始數(shù)據(jù)保持相對一致,并最終得到誤差矩陣如圖15(b)所示,該模型能夠?qū)?shù)據(jù)分類及處理達(dá)到不錯的結(jié)果。此項研究能夠說明,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步應(yīng)用會讓拉曼數(shù)據(jù)處理,TERS圖像去噪及超分辨率重建以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身模型的重建及優(yōu)化變得更加精確且高效。

圖15 (a)兩個原始和預(yù)處理的SERS光譜。(b)使用深度學(xué)習(xí)方法獲得的大腸桿菌分類誤差矩陣,垂直軸表示樣本的真實標(biāo)簽[64]

TERS技術(shù)在教學(xué)中作為一種先進(jìn)的實驗手段,能夠為研究者提供實際操作和實驗探究的機會。通過使用TERS技術(shù),可以幫助學(xué)生及科研人員親自探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì),并深入理解拉曼散射原理及其在化學(xué)、物理等學(xué)科中的應(yīng)用。這將有助于提升研究者們的實驗技能、科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。同時,將TERS技術(shù)與學(xué)科交叉,融合研究,可以為不同領(lǐng)域研究者們提供新穎的視角和研究方法,吸引不同研究方向的科研人員共同探索,推動各學(xué)科創(chuàng)新發(fā)展。

6 總結(jié)與展望

TERS技術(shù)作為一種基于拉曼散射的高分辨率、高靈敏度的光譜技術(shù),已經(jīng)在生物學(xué)、材料科學(xué)和納米科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。未來,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,TERS技術(shù)將會在更多的領(lǐng)域展現(xiàn)出其強大的應(yīng)用潛力。雖然TERS技術(shù)在樣品制備和操作等方面存在一定的挑戰(zhàn),但隨著技術(shù)的發(fā)展,這些問題漸漸會被解決,使TERS技術(shù)更加成熟、可靠、易用和實用化,也會讓TERS技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。同時,TERS技術(shù)的發(fā)展還需要不斷地進(jìn)行基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新。只有通過持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新和基礎(chǔ)研究,才能夠不斷提高TERS技術(shù)的靈敏度、分辨率和可靠性,使其更好地適應(yīng)不同的應(yīng)用需求,并為教研教學(xué)、科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用和實體檢測等領(lǐng)域帶來更大的貢獻(xiàn)。