1. 引言

表面增强拉曼光谱(SERS)被发现至今四十多年，SERS是一门快速无损检测的光谱技术，具有高灵敏度、高准确度、指纹光谱以及不受水分子干扰等特点，可以实现单分子的检测。1928年，印度科学家C.V.拉曼通过实验发现，当光穿过透明介质时，被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射。1974年，Fleishmen发现粗糙Ag电极表面的吡啶分子显示出很强信号 [1] ；1977~1979年Van Duyne课题组和Creighton课题组分别独立地从实验和理论上进行归纳总结，发现这是一种基于粗糙表面的有规律现象，并称之为表面增强拉曼散射效应 [2] 。同时，Moskovits等人通过实验证明，粗糙Ag电极表面得到的增强拉曼信号归功于表面等离激元 [3] 。直至今日，SERS仍被广泛研究使用，由于其信号增强在生物医学检测方面实用性很强，2022年，肖建喜等人就发明了一种高稳定性的胶原蛋白靶向SERS多钛探针，并应用在肝纤维诊断中 [4] 。2023年，李永强等人发明了一种多重SERS信号增强的检测系统用于检测溶液中或血液中金黄色葡萄球菌，并记载详细制备过程 [5] 。

近二十年来，铝酞菁是一种具有独特光物理和光化学性质的有机化合物。它在多个领域具有重要的研究意义，包括光敏材料、生物医学应用和光电子器件等方面。尤其作为光敏材料光动力治疗肿瘤有很大的发展，1995年，傅乃武等人就研究了磺化铝酞菁在光动力治疗和热疗中有重要作用，对红光吸收强，可作为一种新型光敏材料，能有效抑制肿瘤的增加 [6] 。2003年，夸尔斯等人使用了带负载的铝酞菁对肿瘤细胞进行光动力治疗 [7] ，2010年，桑托斯等人研究了磺化氯铝酞菁(AlPcS n)与人低密度脂蛋白(LDL)的相互作用，通过超速离心分离馏分的剧烈颜色变化观察到。在分离的LDL中，与AlPcS n孵育会导致载脂蛋白色氨酸残基的荧光猝灭，AlPcS n分布在人血浆脂蛋白中，并且在分离的LDL中，它可以与脂质相或载脂蛋白相互作用。AlPcS n诱导的LDL光氧化似乎涉及单线态氧作为降解过程中的主要反应物质 [8] 。2020年，伊雷娜等人研究了硫化羧基铝酞菁与金银纳米颗粒的混合物能够有效的根除白色念珠菌，并在实验过程中找到了合适比例 [9] 。

但有效的靶向病变仍面临巨大挑战。随着纳米技术的迅速发展，将纳米颗粒作为药物传递的载体已经实现。金纳米颗粒具有生物相容性，在生物医学应用中具有优越的光学特性。(1) 具有不同几何形状的金纳米颗粒，如球体、棒、三角形、六边形、棱镜、海胆、立方体、电线和恒星 [10] ，已被探索为分散形式的特殊生物医学应用 [11] [12] 。(2) 在这一背景下，表面增强拉曼散射/光谱学(SERS)作为一种对化学和生物分析传感和成像敏感的敏感技术，已经引起了广泛的关注。(3) 有大量的工作已经执行证明不同分子SERS效应，不同形状的纳米颗粒，不同的剂量，(4) 所以不容易建立需要优化的主要参数有效和可重复的SERS。开发可靠的定量比较是对新纳米材料的有意义的设计策略所需要的优先事项。而铝酞菁与对生物无毒的金纳米材料结合的表面拉曼增强研究就具有深刻意义。

本研究利用不同浓度的两种金纳米材料作为基底，对浓度为10⁻⁶ mol/L的铝酞菁做表面拉曼增强测试，选择金纳米材料于铝酞菁的比例为0.01 mol：1 μmol，因为这个浓度下的表面拉曼增强较强。通过对比两种基底对铝酞菁的增强效果，发现金纳米立方体这种结构增强效果更强，为验证这一结果，本文通过FDTD模拟发现，增强的原因确实来自于立方体的八个角更易形成热点，使得周围电场更强。本文的实验在前人的基础上更进一步验证了表面拉曼增强的机理，另一方面，铝酞菁这种可用于治疗癌症的光敏剂与对生物无毒的金纳米材料的结合下，显示出的拉曼信号得到了很大的信号增强，对生物研究具有深远意义。

2. 实验

2.1. 化学试剂

铝酞菁买自百灵威公司，分子式为C₃₂H₁₆AlCl₈O₁₂S₄，分子量为95.21 g/mol，在拉曼测试中，配置的浓度为10⁻² mol/L。金纳米球：Nanoseedz公司生产，纳米籽提供平均直径为13及19纳米的柠檬酸盐包覆的金纳米球。这些金纳米球样品通过柠檬酸钠盐在水中还原金的三价盐而得到。金纳米球水溶液中有额外的柠檬酸钠盐(0.5 nm)帮助稳定金纳米球，并且带负电的柠檬酸盐更利于与铝酞菁分子结合。金纳米球直径为13 nm，光学密度为2，浓度为4.482 * 10⁻⁹ mol/L。金纳米立方体：Nanoseedz公司生产，产品中金纳米立方体的纯度为60%~70%，边长为50 nm，光学密度为1，浓度为3.486 * 10⁻⁹ mol/L。实验室用是Thermo Fisher系统纯化后的18.25 MΩ * cm的超纯水。

2.2. 仪器

本文中，测拉曼使用的是ANDOR公司生产的SR-500i-D2型探测器，用于接收光子打在样品后发射的信号；使用的显微镜是LEICA生产的DM2700M共聚焦显微镜；激光光源为532 nm。

白光光源是LAICA生产的12/100瓦白光；CCD是LAICA生产的DFC295型。

3. 实验结果及分析

3.1. 扫描电镜

本研究采用透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)来研究样品的微观结构特征。我们使用了一台美国电子公司(FEI) Tecnai G2 F20型透射电子显微镜进行实验。该透射电子显微镜配备了一个工作在200千伏加速电压下的场发射电子枪，能够提供高能电子束来进行样品分析。

本文中优化了透射电子显微镜的操作参数，以实现高分辨率成像。使用凝聚透镜系统对电子束进行聚焦，获得小的探针尺寸，确保在纳米级别上获得空间分辨率。透射电镜的放大倍数设置为100,000倍用于初始观察，并进一步放大到500,000倍进行详细分析。

透射电子显微镜下观察到的样品呈现出良好定义的晶体结构，偶尔出现缺陷和晶界。高分辨率成像揭示了晶格纹线，提供了关于晶体结构和取向的有价值信息。透射电子显微镜的观察结果揭示了纳米尺度特征，本文对这些特征进行了进一步的表征和分析，如图1所示的是金纳米球和金纳米锥的微观结构，在不同视场下聚集程度不相同，未做均匀化处理的样品中也是能找到单个或几个纳米结构的聚集和分散，可以看出大部分结构还是较好的 [13] 。

总之，透射电子显微镜分析提供了样品微观结构特征的重要信息。图1中(a₁)、(a₂)、(a₃)是不同视野之下的金纳米球，(b₁)、(b₂)、(b₃)是金纳米立方体，可以很清晰的看到它们的聚集分散情况。

3.2. 紫外吸收光谱表征

紫外–可见吸收光谱(UV-Vis Absorption Spectroscopy)被用于研究样品的吸收特性。本文使用了一台日本岛津公司生产的UV-2600i型紫外–可见吸收光谱仪进行实验。该仪器配备了一种可调谐光源和单色器，能够提供不同波长范围的光源并选择特定波长进行测量。本实验选择了波长范围为300~1100 nm进行吸收光谱测量。

样品制备过程包括选择不同溶液浓度、稀释比例和溶剂，确保样品在透明度和浓度方面满足测量要求。在实验中，使用了纯净水溶剂作为空白基线参考，并在样品测量之前进行基线校正。

吸收光谱测量的实验条件包括使用固定的光程、扫描速度和温度。本次试验选择了1厘米的光程，并以较慢的扫描速度进行测量，以确保精确的数据记录。实验室温度在25摄氏度下进行。

在进行光谱测量时，本文将不同的稀释浓度铝酞菁、金纳米球、金纳米立方体样品溶液装入玻璃样品池中，并放置在光谱仪样品室中。通过选择532 nm波长和单色器设置，进行了光谱扫描，并记录了吸收光谱数据。为了获得准确的结果，进行了多次重复测量，并取平均值作为最终的光谱数据，最后对已生成的Origin图像做归一化处理如图2(b)所示。

光谱结果显示了在给定波长范围内样品的吸收特性 [14] 。我们观察到吸收峰的位置、强度和形状，并与相关标准和已有文献进行比较和分析 [15] [16] 。通过吸收峰的位置和强度，我们能够获得有关样品的化学组成、结构特征以及电子跃迁等信息。从图中可以看出金纳米材料的半高宽都比较宽，可以很好地激发局域表面等离激元 [17] 。

综合光谱结果和分析，可以得出结论：样品在特定波长范围内显示了明显的吸收特性，并且这些特性与研究目的的关联密切。紫外–可见吸收光谱提供了研究中重要的信息，为进一步的拉曼研究奠定了基础。

3.3. 表面拉曼增强与FDTD模拟

拉曼光谱的是一种无损、快速、可重复的测试方式，由于水的散射很微弱，可直接用水做溶液，并且能测到50~4000的波数区间。如图3能级图所示，拉曼散射是一种非弹性碰撞，不仅方向改变，还有能量转换，因为拉曼散射会产生跃迁能级差，所以会产生不同的曲线那么检测到的这个散射曲线就是拉曼光谱。拉曼光谱表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)是一种能够提高拉曼信号灵敏度的技术，被广泛应用于分析和检测低浓度分子。本研究利用SERS增强技术来提高特定分子的检测灵敏度和信号强度。

SERS效应的基本原理主要认为有物理增强(表面等离子体模型)和化学增强(电荷转移模型)两种构成。物理增强认为粗糙的金属表面受到光照射时，因为拉曼散射强度与分子所在位置处的电场平方成正比，所以可以极大地增强吸附在表面的检测分子产生拉曼散射的几率，金属表面的等离子能被激发到高的能

级，而与光波的电场耦合，并发生共振，使金属基底表面的电场增强，从而引起物质拉曼散射信号增强 [18] [19] 。化学增强机制认为，基底和吸附物质之间存在电荷转移，主要是由于吸附在粗糙表面的分子的极化率改变而引起的拉曼信号的增强。该模型认为SERS的增强机制是一种金属和吸附分子之间的电荷共振跃迁。当分子吸附到金属基体表面时，形成了新的电荷转移激发态(电荷转移激发态是由金属到分子进行电荷转移或者恰巧相反)，伴随着新的激发态也形成了新的吸收峰。电子在金属和吸附物之间发生了共振跃迁，从而改变了分子的有效极化率，便产生了SERS效应 [20] 。在目前对于SERS机理的研究还是众多研究中的热点。为验证不同形状的金纳米材料增强不同，本文制备了一系列SERS基底，通过控制反应条件和表面修饰分子的选择，实现了高度可控的纳米结构表面。在实验中，使用了532 nm的激光光源作为激发源，以聚焦方式聚焦在SERS基底表面。扫描速度设置为较慢的速度(积分时间1秒)以获得高质量的光谱数据。本文记录了多次重复的光谱扫描，并通过光谱稳定的时间段取平均值来获得最终的SERS增强拉曼光谱数据，如图3所示。SERS增强效果显著地增加了铝酞菁的拉曼信号强度。在SERS基底上测得的拉曼光谱图显示出明显的信号增强峰，与没加金纳米材料的对照组铝酞菁相比，信噪比得到了显著的提高，这是因为SERS基底上的金纳米粒子产生电场，在FDTD的模拟之下可以看得到，故而电场增强会使得检测分子产生的拉曼散射机率提高，这也是SERS增强的原理。不同纳米结构对SERS效果的影响也得到了研究和比较，如图所示，金纳米球能对铝酞菁的信号做出提高，而金纳米立方体对铝酞菁的SERS增强很大程度上强于金纳米球，这是因为由于不同形貌的金材料周围的电磁场强度不一样。

为验证金立方体的SERS增强效果强于金球，本研究使用了FDTD (Finite-Difference Time-Domain)方法进行电磁场仿真，以模拟和分析特定结构或设备的电磁行为。FDTD是一种广泛应用的数值求解方法，通过离散化空间和时间域，将电磁场的Maxwell方程组转化为差分形式，并利用时间步进方法进行数值求解 [21] [22] 。

FDTD方法基于Maxwell方程组，包括电场的Faraday定律、磁场的Ampère定律和电磁感应定律。这些方程描述了电场和磁场在空间和时间上的演化规律。通过对空间进行网格化，将空间离散化为小的体积单元，并对时间进行离散化，将时间分割为离散的时间步长，可以在每个时间步长内计算电场和磁场的数值解 [23] [24] 。

在FDTD模拟中，首先定义了模拟区域的几何形状和边界条件。由于金纳米球和金纳米立方体的尺寸差距很大，为避免不同大小对模拟的影响，我们将两种金纳米材料放在建模直径100 nm左右的区域，然后将模拟区域设置成0.2 μm * 0.2 μm * 1.6 μm大小的立方体结构，模拟区域通常由正交的网格单元组成，每个单元包含一个电场和一个磁场分量。第二步将建模的金纳米材料放在模拟区域正中间，另外模拟一个长方体型的锗底座紧挨着金纳米材料。第三步设置以这个竖直向下的532 nm的模拟光源在金纳米材料上方，距离中心0.6 μm，最后在中心平面加模拟器运行这个模拟，在模拟过程中，需要选择适当的时间步长和空间分辨率，以平衡模拟的准确性和计算资源的消耗。较小的时间步长和更高的空间分辨率可以提供更准确的结果，但也会增加计算复杂度和计算时间 [25] [26] 。当然，在做的过程中因精度不够会慢慢调试mash，得到最后的结果如图4所示。基于0~1的bar，可以看出金纳米球和金纳米立方体周围的电磁场分布结构，金纳米立方体的角部在激光照射下展现出很强的电磁场效应，而金纳米球外形为圆形状，展现较弱的尖端效应。故而在SERS增强中，金纳米立方体要强于金纳米球，且仿真结果与拉曼测得结果一致。

4. 结论

综合实验结果和分析，可以得出结论：SERS增强技术能够显著提高拉曼光谱的信号强度和灵敏度，为低浓度分子的检测和分析提供了强有力的工具。并且本实验进一步验证了SERS原理推论的正确性，对于金纳米球基底与金纳米立方体基底的比较，证明基底产生的电场强度越强，拉曼信号的增强越强。SERS是一种极大提高分子信号的工具，SERS在生物医学、环境监测等领域具有广阔的应用前景。未来的研究方向可以包括进一步优化SERS基底的制备方法和纳米结构的设计，以提高SERS效果和应用的多样性。铝酞菁作为一种重要的有机分子，在光电领域具有广阔的应用前景。以下是一些该物质的光电性质和应用前景：(1) 光敏性质：铝酞菁具有良好的光敏性质，能够吸收可见光及近红外光，并在吸收光子的激发下，形成高度活跃的单态态铝酞菁它能够在光动力治疗(PDT)中用作光敏剂，通过与光子相互作用来杀死癌细胞 [27] [28] 。(2) 荧光性质：铝酞菁还具有较强的荧光性质，并且具有可调控的荧光发射波长，可以用于生物成像等方面 [29] 。(3) 光电子器件：铝酞菁可以用作光电子器件的关键材料，例如有机光电二极管(OLED)、有机太阳能电池(OPV)、有机场效应晶体管(OFET)等。它的特殊结构和光电性能使得铝酞菁在这些器件中表现出优异的性能，如高效率的光电转换、低能量损失等，有助于发展高性能和低成本的光电子器件。(4) 应用前景：由于铝酞菁具有良好的光电性质，它在很多领域都有潜在的应用前景，如：抗癌治疗：作为光敏剂用于光动力治疗、光热治疗；光催化领域：用于水处理、有机合成等；生物荧光成像：用于细胞成像和组织成像。总之，铝酞菁和金纳米颗粒结合的研究意义在于扩展铝酞菁的光学性能和应用领域，提高传感器灵敏度和选择性，增强治疗效果，以及探索新的催化反应机制。这为光学、生物医学和催化等领域的研究和应用提供了有价值的方法和方向。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献