拉曼散射是透明的气体、液体或者固体介质分子对入射光的一种特殊的散射,也称作拉曼效应。其本质就是入射光入射后,散射分子与入射光之间发生非弹性碰撞,这一结果导致散射分子的振动能态和转动能态发生变化,频率差异最终产生于散射光的和入射光。拉曼散射的频率差是由散射物质本身性质所决定,并且每种物质都有自己特定的频率差,所以拉曼散射往往被用来作为研究分子结构的强力手段或者对分子进行快速、简单、可重复的和无损的定性或定量分析。但是,非弹性散射特征使得拉曼散射过程会伴随能量交换,这导致其散射强度相对于弹性散射的瑞利散射要弱很多。微分散射截面是表征拉曼散射信号强度的一个重要指标,一般情况下,多数分子的拉曼散射截面(e.g.10-25～10-30cm2sr-1)要比荧光散射截面小十个数量级以上,所以其微弱的散射强度在很多情况下不能满足实际需求。尤其在分析物的浓度过低时,其拉曼信号的强度与仪器响应极限之间相差甚远,这一特性严重阻碍了拉曼光谱在生活领域中的应用。近年,表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)逐渐成为学术界研究热点,使得拉曼散射的应用范围明显拓宽,现在已经开始出现在生活中的多个领域。SERS技术的原理是：化合物吸附在粗糙的金属表面,金属表面化合物等离子激元被激发所引起的电磁增强(Electromagnetic enhancement,EM),结合金属表面吸附分子构成拉曼增强的活性点,即目前仍然没有定论的复杂的化学增强。两者共同作用使得拉曼信号产生极大的增强效果。SERS增强因子(Enhancement factor, EF)高达103～107,所以具有非常高的灵敏度及选择性,成为定性检测有机分子等物质的有力手段。SERS具有高探测灵敏度、高分辨率、水介质干扰小、可猝灭荧光、稳定性好及适合研究界面等特点被广泛应用于多个领域。尤其适用于有毒有害物质微痕量检测、化学反应过程的实时监测以及目前在生物领域对生物体及生命物质的检测等。与此同时,纳米技术的飞速发展使得制备多种形貌的高稳定性、高性能的SERS活性基底得以实现。在活性基底表面吸附特定分子,研究其吸附行为并将其特异功能化应用于特定领域,最终在实验及理论方面进行研究,深刻理解SERS的增强机制,这一思路已经成为目前SERS方面研究的重要方向。本论文针对微痕量有毒有害物质检测和生物领域对于生物分子或者生物体的检测与识别两个方面设计了硅纳米阵列为衬底的金纳米颗粒以及金纳米膜结构基底(Au nanopaticles, nanoporous gold film/Silicon nanowire array, Au NPs, NPGF/SiNWA)和蜻蜒翅阵列为衬底的银纳米颗粒复合结构基底(Ag nanoparticles/Dragonfly wings, Ag NPs/DFW)。论文中,对这几类活性基底的结构形貌、SERS特性、重复利用性能、应用及增强机制等方面进行了详细的测试表征,对实验结果进行深入的理论分析与讨论。论文的主要研究内容如下、设计与构筑Au NPs, NPGF/SiNWA、Ag(Au) NPs/DFW活性SERS基底。首先,我们在干净的单晶硅片上面附着一层银纳米颗粒作为晶种,然后利用贵金属辅助刻蚀的原理将有晶种的硅片在水热反应过程中做成纳米线阵列结构,最后利用Au的自还原特性在硅纳米线阵列结构的衬底上附着尺寸、间距比较均一的Au纳米颗粒。或者在处理干净的蜻蜒翅表面利用浸渍还原技术直接生长出尺寸、间距比较均一的Ag纳米颗粒。最后,利用场发射扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、X射线衍射光谱仪等分析手段对其形貌结构进行表征。二、罗丹明6G (Rhodamine6Q R6G)或者结晶紫(Crystal violet,CV)为测试物质,系统测试并分析SERS光谱对基底的增强能力、稳定性、定量关系、重复利用性。对测试结果进行系统、详细的分析讨论,确定了每种基底的优势及应用领域。结果显示,Au NPs, NPGF/SiNWA系列在重复利用方面有很好的优势,但它们的增强能力相对于Ag/DFW还是有不小的差距。经物理沉积的方法制备的Ag/DFW和Au/DFW基底在测试稳定性方面有突出表现。三、SERS增强机制研究。结合基底的微观结构利用有限时域差分软件(Finite Difference Time Domain, FDTD)对几类体系进行模拟,得出这种结构的基底随时间变化的空间电磁场分布情况。结果显示电磁场增强的区域即热点(hot-spots)类型对于论文中三维体系来讲主要有两种,即同一柱子上的贵金属之间的热点以及不同柱子上贵金属间的热点。最终的模拟结果得到的增强因子较实验结果有所减小,这一原因可能是由于实际的基底结构存在很多我们未考虑的复杂因素导致的。四、利用Au NPs, NPGF/SiNWA体系实现了对多种分析物的检测,并且证明了该基底可以重复利用,有效的实现了资源的节省以避免对环境造成污染。同时,它与Ag(Au) NPs/DFW体系都对微痕量的有毒有害常见农药福美双(thiram)进行了系统全面的测试及分析。NPGF/SiNWA体系,用于检测三磷酸腺苷(ATP)、腺苷二磷酸(ADP)和腺苷一磷酸(AMP),及常见的大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)生物分子的识别。