纳米技术 表面增强拉曼固相基片均匀性测定 拉曼成像法

ICS17.040.20

N30

中华人民共和国国家标准

GB/TXXXXX—XXXX

纳米技术表面增强拉曼固相基片均匀性测定拉

曼成像分析法

Nanotechnology-DeterminationoftheuniformityofSERSsolidsubstrate-Raman

mappinganalysis

（征求意见稿）

-XX-XX发-XX-XX实施

布

GB/TXXXXX—XXXX

前言

本标准依据GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规

则》的规定起草。

本标准由全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279）提出并归口。

本标准主要起草单位：苏州英菲尼纳米科技有限公司、苏州市计量测试院、苏州大学、

国家纳米科学中心、中国检验检疫科学研究院、姑苏实验室等。

本标准主要起草人：郭清华、夏燕、姚建林、袁亚仙、姜江、席广成、卢荻、方丹等。

标准涉及专利的信息披露要求：本标准的条款如果涉及专利，请

将专利信息及相关证明材料一起提交给全国纳米技术标准化技术委员

会纳米材料分技术委员会秘书处。

已授权专利的证明材料为专利证书复印件或扉页，已公开但尚未

授权的专利深切的证明材料为专利公开通知书复印件或扉页，未公开

的专利申请的证明材料为专利申请号和申请日期。

II

GB/TXXXXX—XXXX

引言

表面增强拉曼光谱（SurfaceEnhancedRamanSpectroscopy，SERS）技术灵敏度高，能在痕量浓度

范围内给出关于试样的结构特征、吸附状态等丰富信息，在环境检测、食品安全、生物制药等领域已显

示出巨大的应用前景。

目前SERS技术在食品快检领域已发展成为一项必备检测技术。

SERS技术的核心是SERS基底，其通过贵金属（金、银、铜等）纳米结构的光电场增强特性，放

大被测物质的拉曼信号。目前常见的SERS基底主要分为液相纳米溶胶和固相基片。固相基片预先将纳

米结构固定在固态基片上，具有易于修饰、无溶剂干扰的特点，在SERS信号稳定性、重现性、标准数

据获取以及应用范围方面具有优势，正越来越受到市场青睐。以固相SERS基片为基础，可以发展面向

食品检测、生物医药分析等多个方向的应用检测基片，将产生巨大的潜在市场。

但由于缺乏相关的性能评价标准，市场上的固相SERS基片质量参差不齐，难以获得市场普遍认可，

阻碍了SERS技术的应用发展。因此，建立科学的固相基片质量评价体系是SERS技术应用的关键，也

是SERS技术当下急需解决的问题。

固相SERS基片评价标准最基础的质量指标之一是固相SERS基片的均匀性，其用于描述基底不同

位置处的SERS活性差异。均匀性不佳的基底不同位置处的信号差别较大，易导致测量试样的信号失

真，影响测试结果的重现性和可信度。由于缺乏相关的均匀性评价标准，目前市售固相SERS基片的实

际使用体验与宣传的“均匀性良好”不符，降低了测量结果的可信度。

本标准提出利用拉曼光谱成像法来检测固相SERS基片均匀性的方法，同时给出了固相SERS基片

均匀性的质量评价参考标准，有利于提高SERS检测结果的重现性和可信度。

III

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表面增强拉曼固相基片均匀性测定拉曼光谱成像分析法

1范围

本标准规定了固相SERS基片均匀性测定的原理、仪器要求、样品准备、表征步骤及结果表示等。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T30544.6-2016纳米科技术语第6部分:纳米物体表征

GB/T33252-2016纳米技术激光共聚焦显微拉曼光谱仪性能测试

JJF1544-2015拉曼光谱仪校准规范

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1拉曼效应Ramaneffect

单色光照射物质引起的非弹性散射，其特征是转动或振动等元激发引起的光的频移。

3.2拉曼光谱Ramanspectroscopy

用拉曼效应（3.1）检测样品能级的光谱方法。

3.3表面增强拉曼光谱SurfaceenhancedRamanspectroscopy；SERS

一种光谱方法，其原理是利用在合适波长的光照射下，吸附在具有纳米尺度粗糙度的特定金属表面

的某些分子或纳米物体所呈现的拉曼效应增强的现象。

注1：观测到不同程度增强的典型金属包括Au、Ag、Cu和Al。

注2：为了发生增强，表面粗糙度通常在几十纳米范围内。

3.4固相SERS基片SolidSERSsubstrate

具有SERS效应的固相基片。

3.5激光共聚焦拉曼光谱仪ConfocalRamanspectrometer

以激光为光源，具有共聚焦功能的拉曼光谱仪。

3.6拉曼成像分析Ramanmappinganalysis

在待测物表面选定区域获得一系列拉曼信号，运用统计方法进行数据分析并成像的分析。

1

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4方法概要

通过溶液浸泡，在SERS增强基片表面吸附探针分子并晾干。选取某一区域进行拉曼成像检测，采

集相应数据。选取所有谱图中某一固定位置的特征峰，读取其峰面积。以峰面积的平均值为1进行归一

化，并获得峰面积的强度分布。以平均值所对应的1为中心，向前后选取相同的区间，使占总数量95%

的谱峰落入此区间。区间记作（1±δ），代表了SERS基片的均匀性。其中，δ即为此SERS增强基片在所

选区域内不同位置处的误差，δ越小，SERS增强基片越均匀。

图1样品均匀性测试流程图

5试剂或材料

5.1SERS基片

5.2探针分子

5.3其他如去离子水、乙醇等。

6仪器设备

6.1激光共聚焦显微拉曼仪

6.2超声分散仪器

功率约不低于100W

6.3分析天平

精度不超过0.0001g

6.4其他如移液枪、镊子等

7实验过程

7.1样品准备

利用分析天平称取10-4mol探针分子，加入去离子水或乙醇中配置成100mL浓度为1mmol/L的溶液，

然后将SERS增强基片浸泡其中一段时间，取出，用溶剂冲洗，氮气吹干，移出待检。具体操作可参考

附录A。

2

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7.2表征步骤

7.2.1根据JJF1544-2015拉曼光谱仪校准规范对激光共聚焦显微拉曼仪进行校准。

7.2.2拉曼选择成像模式，确定样品测试区域，设置测试路径及相关参数。

7.2.3测试并保存原始测试数据

7.3数据处理

7.3.1基线扣除

对成像数据进行背景扣除，减小荧光等光致发光的影响。

图2SERS光谱基线扣除示例

7.3.2峰位选择及面积计算

通过软件自动寻峰并选择峰形呈高斯分布（优选），信噪比高的峰，利用软件获得峰面积数据。

图3峰位选择及面积获取

7.3.3数据统计

积分计算所有光谱在某一固定特征峰位处的峰面积并取平均，以平均值为1进行归一化，随后利用

统计软件获取相对峰面积强度分布。以峰面积平均值所对应的1为中心，向两端选取相同的区间，使得

95%的谱峰落入此区间，所取区间的边缘距离中心1的距离记为δ，此SERS增强基片在所选区域的均匀

性记作（1±δ）。

3

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图4峰面积分布及均匀性数据获得示意图

7.4均匀性确定

SERS基底均匀性与所选择区域一一对应，如想获得大面积范围内SERS增强基片均匀性，需在大面

积范围内进行数据采集。为获得较为准确的均匀性数据，通常所选数据点不少于100个。

SERS增强基片的均匀性表述为（1±δ），δ为此SERS增强基片在所选区域内的误差，δ越小，SERS

增强基片越均匀。

注：高均匀性基底δ≤5%

中均匀性基底5%<δ≤15%

低均匀性基底δ>15%

8不确定度评估

——A类不确定度是对一系列观测值进行统计分析的方法，用符号uA表示。在相同条件下对同一样品

进行独立测量，得到9个测得值为Hi（i=1,2,…,n），其算术平均值按公式（1）计算

1n

HHi……(1)

ni1

按公式（2）计算

n

2

(HiH)

i1

uA……(2)

n（n1）

——B类不确定度是设备校准引入的不确定度uB。

扩展不确定度是确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此区间，用

U表示。对于正态分布，置信水平为95%时，对应的k=2，则扩展不确定度按公式（3）计算

22

UkuAuB……(3)

4

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9测试报告

测试报告包括但不仅限于以下信息：

a)测试人员、日期

b)测试样品来源、名称、规格、数量、接收日期；

c)测定依据；

d)测试设备名称、型号及试验条件（温度、湿度）

e)拉曼成像扫描条件（区域大小、激光波长、激光功率、X方向步长、Y方向步长、积分时间）

f)数据处理软件

g)测试数据与结果

5

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AA

附录A

（资料性附录）

表面增强拉曼基片均匀性测定拉曼成像分析法示例

A.1概述

对于表面增强拉曼基片均匀性的测定，可通过拉曼成像分析法在规定区域内至少100个不同位置处

获取拉曼信号，利用统计分析获得信号的分布特性，进而推算出拉曼增强基片的均匀性。增强拉曼基片

均匀性的测定过程主要包括样品准备、表征步骤、数据处理、均匀性计算，可按如下步骤实施。

A.1.1样品准备

用分析天平称取4,4-联吡啶（BiPy）粉末15.6mg，加入100mL乙醇，用300W超声分散仪器超声5

s，得到1mmol/L的BiPy乙醇溶液。

将SERS增强基片浸没于少量上述BiPy标准溶液中10分钟，取出，用乙醇冲洗后氮气吹干，待检。

A.1.2表征步骤

根据JJF1544-2015拉曼光谱仪校准规范对激光共聚焦显微拉曼仪进行校准。将拉曼测试设置为成

像模式，选择在聚焦清晰的1cm×1cm矩形样品测试区域，设置扫描方向X的步长为1mm，扫描方向Y

的步长为1mm，激光波长为785nm，功率为0.3mW，积分时间为1s，积分次数为1。测试并保存原始数

据。

若测量更大区域内的均匀性，可测定多块小区域，通过拼接获得整体均匀性数据。

A.1.3数据处理

A.1.3.1利用软件NGSLabSpec导入SERS测量原始文件，文件类型为txt，如图A.1。

6

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图A.1NGSLabSpec软件导入SERS检测原始文件

A.1.3.2利用软件对所选样品进行背景扣除操作，可减少荧光等光致发光的影响。具体操作如下，点

击Baseline图标，在弹出的操作界面内，选择Auto，进行自动背景扣除并保存结果。

图A.2扣除图像背景的操作图

A.1.3.3利用软件的Peak功能，所测光谱中自动找到样品的特征峰，如图A.3，同时软件能自动获得

这些特征峰的峰面积，如图A.4，选取特征峰信噪比较好，峰形分布较好的特征峰，记录其峰面积。

图A.3特征峰选取操作图

7

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图A.4特征峰面积读取

A.1.3.4利用origin软件分别对所有谱图相同特征峰的峰面积进行统计，以峰面积的平均值为1进行归

一化，随后获得相对峰面积的强度分布。

图A.5利用origin软件获得特征峰相对面积分布

图A.6SERS增强基片在所选区域的均匀性数据获得

8

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A.1.3.5以峰面积的平均值为中心，向两端选取相同的区间，使得占总数95%的谱峰落入此区间，所

取区间的边缘距离中心1的距离记为δ，此SERS增强基片在所选区域的均匀性记作（1±δ）。

9

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目次

前言....................................................................................................................................................................II

引言..................................................................................................................................................................III

1范围..............................................................................................................................................................1

2规范性引用文件..........................................................................................................................................1

3术语和定义..................................................................................................................................................1

4方法概要......................................................................................................................................................1

5试剂或材料..................................................................................................................................................2

6仪器设备......................................................................................................................................................2

7实验过程......................................................................................................................................................2

8不确定度评估..............................................................................................................................................4

9测试报告......................................................................................................................................................5

附录A（资料性附录）表面增强拉曼基片均匀性测定拉曼成像分析法实例.......................................6

I

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引言

表面增强拉曼光谱（SurfaceEnhancedRamanSpectroscopy，SERS）技术灵敏度高，能在痕量浓度

范围内给出关于试样的结构特征、吸附状态等丰富信息，在环境检测、食品安全、生物制药等领域已显

示出巨大的应用前景。

目前SERS技术在食品快检领域已发展成为一项必备检测技术。

SERS技术的核心是SERS基底，其通过贵金属（金、银、铜等）纳米结构的光电场增强特性，放

大被测物质的拉曼信号。目前常见的SERS基底主要分为液相纳米溶胶和固相基片。固相基片预先将纳

米结构固定在固态基片上，具有易于修饰、无溶剂干扰的特点，在SERS信号稳定性、重现性、标准数

据获取以及应用范围方面具有优势，正越来越受到市场青睐。以固相SERS基片为基础，可以发展面向

食品检测、生物医药分析等多个方向的应用检测基片，将产生巨大的潜在市场。

但由于缺乏相关的性能评价标准，市场上的固相SERS基片质量参差不齐，难以获得市场普遍认可，

阻碍了SERS技术的应用发展。因此，建立科学的固相基片质量评价体系是SERS技术应用的关键，也

是SERS技术当下急需解决的问题。

固相SERS基片评价标准最基础的质量指标之一是固相SERS基片的均匀性，其用于描述基底不同

位置处的SERS活性差异。均匀性不佳的基底不同位置处的信号差别较大，易导致测量试样的信号失

真，影响测试结果的重现性和可信度。由于缺乏相关的均匀性评价标准，目前市售固相SERS基片的实

际使用体验与宣传的“均匀性良好”不符，降低了测量结果的可信度。

本标准提出利用拉曼光谱成像法来检测固相SERS基片均匀性的方法，同时给出了固相SERS基片

均匀性的质量评价参考标准，有利于提高SERS检测结果的重现性和可信度。

III

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表面增强拉曼固相基片均匀性测定拉曼光谱成像分析法

1范围

本标准规定了固相SERS基片均匀性测定的原理、仪器要求、样品准备、表征步骤及结果表示等。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T30544.6-2016纳米科技术语第6部分:纳米物体表征

GB/T33252-2016纳米技术激光共聚焦显微拉曼光谱仪性能测试

JJF1544-2015拉曼光谱仪校准规范

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1拉曼效应Ramaneffect

单色光照射物质引起的非弹性散射，其特征是转动或振动等元激发引起的光的频移。

3.2拉曼光谱Ramanspectroscopy

用拉曼效应（3.1）检测样品能级的光谱方法。

3.3表面增强拉曼光谱SurfaceenhancedRamanspectroscopy；SERS

一种光谱方法，其原理是利用在合适波长的光照射下，吸附在具有纳米尺度粗糙度的特定金属表面

的某些分子或纳米物体所呈现的拉曼效应增强的现象。

注1：观测到不同程度增强的典型金属包括Au、Ag、Cu和Al。

注2：为了发生增强，表面粗糙度通常在几十纳米范围内。

3.4固相SERS基片SolidSERSsubstrate

具有SERS效应的固相基片。

3.5激光共聚焦拉曼光谱仪ConfocalRamanspectrometer

以激光为光源，具有共聚焦功能的拉曼光谱仪。

3.6拉曼成像分析Ramanmappinganalysis

在待测物表面选定区域获得一系列拉曼信号，运用统计方法进行数据分析并成像的分析。

1

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4方法概要

通过溶液浸泡，在SERS增强基片表面吸附探针分子并晾干。选取某一区域进行拉曼成像检测，采

集相应数据。选取所有谱图中某一固定位置的特征峰，读取其峰面积。以峰面积的平均值为1进行归一

化，并获得峰面积的强度分布。以平均值所对应的1为中心，向前后选取相同的区间，使占总数量95%

的谱峰落入此区间。区间记作（1±δ），代表了SERS基片的均匀性。其中，δ即为此SERS增强基片在所

选区域内不同位置处的误差，δ越小，SERS增强基片越均匀。

图1样品均匀性测试流程图

5试剂或材料

5.1SERS基片

5.2探针分子

5.3其他如去离子水、乙醇等。

6仪器设备

6.1激光共聚焦显微拉曼仪

6.2超声分散仪器

功率约不低于100W

6.3分析天平

精度不超过0.0001g

6.4其他如移液枪、镊子等

7实验过程

7.1样品准备

利用分析天平称取10-4mol探针分子，加入去离子水或乙醇中配置成100mL浓度为1mmol/L的溶液，

然后将SERS增强基片浸泡其中一段时间，取出，用溶剂冲洗，氮气吹干，移出待检。具体操作可参考

附录A。

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7.2表征步骤

7.2.1根据JJF1544-2015拉曼光谱仪校准规范对激光共聚焦显微拉曼仪进行校准。

7.2.2拉曼选择成像模式，确定样品测试区域，设置测试路径及相关参数。

7.2.3测试并保存原始测试数据

7.3数据处理

7.3.1基线扣除

对成像数据进行背景扣除，减小荧光等光致发光的影响。

图2SERS光谱基线扣除示例

7.3.2峰位选择及面积计算

通过软件自动寻峰并选择峰形呈高斯分布（优选），信噪比高的峰，利用软件获得峰面积数据。

图3峰位选择及面积获取

7.3.3数据统计

积分计算所有光谱在某一固定特征峰位处的峰面积并取平均，以平均值为1进行归一化，随后利用

统计软件获取相对峰面积强度分布。以峰面积平均值所对应的1为中心，向两端选取相同的区间，使得

95%的谱峰落入此区间，所取区间的边缘距离中心1的距离记为δ，此SERS增强基片在所选区域的均匀

性记作（1±δ）。

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图4峰面积分布及均匀性数据获得示意图

7.4均匀性确定

SERS基底均匀性与所选择区域一一对应，如想获得大面积范围内SERS增强基片均匀性，需在大面

积范围内进行数据采集。为获得较为准确的均匀性数据，通常所选数据点不少于100个。

SERS增强基片的均匀性表述为（1±δ），δ为此SERS增强基片在所选区域内的误差，δ越小，SERS

增强基片越均匀。

注：高均匀性基底δ≤5%

中均匀性基底5%<δ≤15%

低均匀性基底δ>15%

8不确定度评估

——A类不确定度是对一系列观测值进行统计分析的方法，用符号uA表示。在相同条件下对同一样品

进行独立测量，得到9个测得值为Hi（i=1,2,…,n），其算术平均值按公式（1）计算

1n

HHi……(1)

ni1

按公式（2）计算

n

2

(HiH)

i1

uA