《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Raman signal enhancement via multi-probe detection
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拉曼光谱多探针检测策略通过多角度并行采集信号，显著提升粗糙样品的检测灵敏度和稳定性，实验表明三探针配置较单探针信号增强63%，并扩展4-氨基噻吩酚检测下限至10??mol/L。
Xiaohan Xing | Minghui Hong
厦门大学Pen-Tung Sah微纳科学技术研究所，中国厦门361005
摘要
拉曼光谱技术受到弱散射和光子收集效率低下的限制，尤其是在处理粗糙和异质样品时。本文提出了一种多探针检测策略，可以从多个角度同时获取拉曼信号，从而增强拉曼信号并抑制信号波动。与传统单探针检测相比，多探针配置具有更高的信号强度和更好的稳定性，尤其是在粉末样品上效果更为显著。电磁模拟表明，多方向检测能够有效收集在单探针检测几何结构中会丢失的拉曼光子。以三聚氰胺粉末样品为例，观察到了高达63%的信号增强效果。该多探针方案将4-氨基硫酚（ATP）在粗糙基底上的SERS检测限提升至10?7?mol/L，在此浓度下，相对标准偏差（RSD）降低了57%以上。这项工作为提高拉曼光谱的灵敏度和可靠性提供了一种简单有效的方法。
引言
拉曼光谱是一种强大的振动光谱技术，通过非弹性光散射提供分子的“指纹”信息，从而实现化学成分[1]、[2]和分子结构[3]、[4]、[5]的明确识别。由于其无标记特性和高化学选择性，拉曼光谱已广泛应用于材料表征、化学传感和生物医学诊断领域。然而，大多数分子的固有拉曼散射截面极小，这从根本上限制了检测灵敏度[6]。对于痕量分析物、低浓度样品或单分子级别的检测，这一限制尤为突出，因此催生了各种拉曼增强策略[7]的发展。表面增强拉曼散射（SERS）通过引入金属纳米结构来支持局域表面等离子体共振（LSPR）[8]、[9]，有效解决了这一问题。当入射光与这些等离子体模式耦合时，金属表面附近的局域电磁场可以被放大几个数量级，从而显著提高拉曼散射效率[10]、[11]。特别是三维（3D）纳米结构基底通常具有较大的表面粗糙度[12]、[13]、[14]，其特征包括金属纳米颗粒、纳米级间隙、尖锐的边缘和表面突起[15]、[16]、[17]。这些结构能够生成高密度的纳米级热点，产生强局域化的电磁场，这些热点被认为是SERS超高灵敏度的主要物理起源[3]、[18]、[19]。
然而，导致强电磁增强的结构复杂性不可避免地在拉曼发射中引入了空间和角度上的不均匀性[20]。每个单独的热点都作为一个局域化的纳米级辐射体，其发射特性（包括辐射模式、偏振和强度）强烈依赖于其局部几何形状、取向和等离子体耦合环境[21]。在随机粗糙或无序的金属表面上，热点的空间分布和取向具有随机性，导致整个基底上的发射方向不相关[12]、[22]。因此，散射的拉曼光子表现出强烈的角度分散和空间波动[23]、[24]。在采用单收集探针的传统拉曼配置中，只能捕获总散射信号的一小部分，导致信号变化大、重复性降低以及由于探针位置导致的灵敏度低[25]。重要的是，这种信号不稳定性不仅仅是实验误差或基底制造不完美的结果，而是由于热点产生的拉曼信号在方向和空间上的异质性所固有的。
从这个角度来看，提高SERS测量的稳定性不仅需要优化基底形态或增加热点数量，还需要解决随机方向拉曼散射与单方向检测之间的根本不匹配问题。为了应对本质上较弱的拉曼散射信号和实际测量中的有限收集效率问题，人们投入了大量努力开发系统级的光学增强策略。多通和多次反射腔增强拉曼配置已被广泛探索，以有效延长光程长度，从而显著提高检测灵敏度。例如，提出了近共焦和双近共焦腔几何结构[26]，通过多个共振光路的建设性叠加来增强拉曼信号强度。同时，专注于并行信号采集和改善光通量的系统级方法也受到了越来越多的关注[27]。将微透镜阵列与空间复用拉曼光谱仪集成，可以在单次曝光的同时从多个空间位置获取拉曼光谱，从而提高测量效率[28]。多探针和双探针光谱方案，包括偏振分辨配置，进一步展示了在极端条件下提取互补拉曼信息的能力[29]。此外，基于多芯光纤的光子灯笼和对称集成光学系统也被开发出来，以克服传统拉曼光谱仪在系统小型化和光通量之间的固有trade-off[30]、[31]。虽然这些方法通过改善光与物质的相互作用或收集效率成功增强了拉曼信号强度，但它们通常侧重于光通量优化或共振增强，而在抑制由粗糙或非均匀样品的空间异质性引起的信号波动方面的能力仍然有限。
基于这些进展，我们提出了一种多探针拉曼检测策略，通过并行信号采集和统计平均来应对由空间异质性引起的信号波动和不稳定性问题，而不仅仅是依赖光通量或共振增强。为了克服这一限制，该工作提出了一种多探针拉曼检测方案，可以从多个空间方向同时收集散射光。通过有效扩大收集立体角，多探针配置减少了角度散射损失。与简单地增加单个物镜的数值孔径不同，所提出的多探针策略实现了并行和空间分离的角度采样，从而能够从异质散射中心互补地收集方向不相关的拉曼发射。所提出的多探针配置旨在通过从互补方向捕获拉曼光子来提高光子收集效率。因此，检测到的信号更真实地代表了粗糙表面的总拉曼发射，从而提高了信号稳定性、重复性，并增强了对抗空间异质性的鲁棒性。这种光学收集策略为解决SERS发射的固有方向性问题提供了一种通用且与基底无关的解决方案，为在结构复杂表面上进行可靠的拉曼检测提供了新的机会。
实验装置片段
多探针实验装置
图1展示了多探针拉曼检测系统，该系统包括一个光源（532?nm，LSR532NL-300，购自宁波远明激光科技有限公司）、一个样品定位单元和一个多方向信号收集模块。来自光源的激光束由一块532?nm的二向色镜（所有光学元件均购自大恒新时代科技有限公司）引导，该二向色镜设计用于在激发激光波长下具有高反射率
结果与讨论
为了验证多探针拉曼检测策略的有效性，我们对光滑晶体样品和结构复杂的粉末样品（使用SiC晶体和粉末进行表征）进行了拉曼测量。图2(a)展示了使用不同数量探针（包括单探针、双探针和三探针配置）获得的拉曼光谱。为了清晰起见，单探针测量包括中心探针（C）（主探针）和两个侧探针
结论
在这项工作中，我们提出并实验验证了多探针拉曼收集策略，旨在克服传统单探针拉曼检测在粗糙和异质表面上的固有局限性。通过从多个角度同时收集拉曼光子，所提出的系统显著提高了光子收集效率，同时减少了由表面粗糙度、各向异性散射和局部强度波动引起的信号损失。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
南安市硬脆材料高能束流加工研发中心（编号：K84B5002
