背景介绍 

表面增强拉曼光谱（Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）是一种无损、超高灵敏度的表面检测技术。然而，SERS在实际应用中对材料和基底形貌的适配性要求较高，极大限制了其广泛应用。为此，衍生技术壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱（Shell-Isolated Nanoparticle-Enhanced Raman Spectroscopy, SHINERS）应运而生。SHINERS创新性地采用壳层隔绝纳米粒子增强策略，显著提升了SERS对材料和基底形貌的普适性，能够在任意材质和形貌的基底表面获得高质量拉曼谱图。这一技术突破了传统谱学方法在原子级平滑单晶表界面研究的瓶颈，并在界面化学、电催化、生物医学、材料、食品安全等关键领域得到了广泛的应用。 

图1. 壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱（SHINERS）的主要应用领域

文章亮点 

图2. SERS的发展历程及SHINERS的工作模式

1.SHINERS技术的发展历程与突破

传统的SERS技术通常仅在金、银、铜等少数贵金属表面表现出检测活性，并且需要依赖粗糙化表面或特定的纳米结构基底才能获得较高的增强效果。基于“借力”策略的SHINERS技术采用独特的“壳层隔绝”模式增强方法，不仅能够在任意材质和形貌基底上实现超过108倍的增强性能，还可原位探测原子级平滑单晶表面的分子吸附行为及化学反应过程，为表界面化学研究开辟了全新途径。 

2.催化反应过程研究

在电催化、热催化和光催化等反应过程的原位探测研究中，SHINERS技术展现出多方面的优势，包括超高检测灵敏度、独特的指纹识别特性、适用于低波数振动模式的检测能力及水相体系的兼容性。此外，SHINERS方法能够精准捕捉单晶表面短寿命中间物种的信号，并清晰区分这些物种在不同界面处的吸附构型差异。借助这一技术，可以实现对催化反应过程动力学的高精度表征，深入揭示反应机理，为高效催化剂的设计与开发提供重要指导。

3.食品安全和生物医药等领域的实际应用

SHINERS技术中的壳层隔绝增强纳米粒子因其优异的化学稳定和抗干扰性能，适合在复杂环境中开展高灵敏度检测。通过设计合成具有不同核壳材质的纳米粒子，并结合便携式拉曼光谱仪，SHINERS能够满足多种实际应用体系的需求，实现现场原位快速检测。目前，该技术已广泛应用于食品安全领域的农药残留、毒品痕量检测，以及生物医药领域的生物样品拉曼成像等，为相关行业提供了高效可靠的解决方案。

图3. 食品安全和生物医药等领域的实际应用

挑战与展望 

图4. SHINERS壳层隔绝纳米粒子合成策略展望

经过十余年的发展，SHINERS 技术成功突破了传统SERS在基底材料和表面形貌上的限制，已广泛应用于电催化、能源、材料科学、生物医学等诸多领域。其功能从基本分子结构与性质研究，扩展到动态表面现象的探究及材料性质微小变化的高精度检测。展望未来，为推动更多跨学科研究和应用，SHINERS技术的发展方向可归纳为以下几个方面：

合成策略的优化与发展：发展高效率、大批量壳层隔绝纳米粒子合成策略是SHINERS未来发展的核心目标之一。通过开发具有更高介电常数和折射率的壳层隔绝纳米粒子，可显著提高增强因子，同时减少局部热效应并提高纳米腔中分子的稳定性。此外，改变内核金属材料（如铝、镓、铟等碳族元素或锡、铊、铅等硼族元素）有助于扩展SHINERS对更宽波长激光的适配性。在壳层材料改性方面，引入二维材料、聚合物或生物大分子以拓宽应用范围。

实现超分辨：提升空间分辨率是SHINERS技术的关键挑战之一。未来发展方向包括“分子尺”策略、深度敏感等离激元拉曼光谱法（DS-PERS）以及壳层隔绝针尖增强拉曼光谱（SHITERS），这些技术有望实现亚纳米甚至埃级尺度的空间分辨，助力揭示复杂界面现象。

结合超快光谱技术：超快时间分辨技术为SHINERS提供了全新的研究维度。通过将超快脉冲光源与SHINERS技术结合，能够在皮秒或飞秒时间尺度上捕捉瞬态拉曼信号。这种技术不仅可以揭示分子水平的动态反应过程，还能在瞬态信息检测中保持高信噪比，为催化反应动力学研究提供深刻见解。

界面水分子结构的深入研究：界面水分子的结构和行为影响从表面润湿到化学反应的各种现象，其结构的解析对于推进材料科学、环境科学和电化学等领域的发展至关重要。SHINERS凭借极高的界面物种检测灵敏度和对体相水信号的抗干扰能力，成为研究界面水分子吸附结构的理想工具。这一能力将为能量存储和转换系统(包括水分解和燃料电池)的催化剂设计与优化提供关键支持。

由原位实验研究到工况检测： SHINERS已在基础电催化原位研究中广泛应用，未来有望拓展向工况条件下的电催化过程研究。通过调整燃料电池组件材料、优化光路或嵌入光纤，SHINERS能够研究工况环境下的界面共催化机制和性能衰减机制，为开发高效、实用的燃料电池催化剂提供重要指导。

壳层隔绝策略向更多谱学技术的拓展：壳层隔绝纳米粒子具有良好的光吸收和散射性能，可提供超强的局域电磁场增强，具备在多种光谱技术中应用的潜力。除拉曼光谱外，还可拓展至增强荧光、磷光、二次谐波产生以及和频光谱等技术，进一步扩大其应用范围，为多学科研究提供更多可能性。

与人工智能的结合：人工智能(Artificial intelligence, AI)为SHINERS研究带来了全新的工具和方法。AI可用于处理和分析实验中生成的大量数据，包括操作条件、光谱特征及环境参数。通过机器学习建模，可以预测SHINERS光谱和样品性质之间的关系，快速评估样品中的特定组分的含量或结构。此外，AI结合理论计算的“AI辅助”模式已被广泛应用于研究不同的结构、反应机制以及中间物种。未来，“AI驱动”模式将通过多维自主学习和训练，为生成新型界面、结构及设备提供强大支持，进一步拓展SHINERS的谱学分析能力。

厦门市普识纳米科技有限公司是由厦门大学国际领先的拉曼光谱研究团队创立，是国家十二五专项“等离激元增强拉曼光谱（PERS）仪器研发与应用”唯一的产业化单位、“拉曼光谱仪通用规范”国家标准、“便携式拉曼光谱快速检测仪”福建省地方标准核心起草单位。

2010年，厦门大学拉曼光谱研究团队发明壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)新技术，开辟了光谱分析的新方向。2013年普识纳米孵化成立，作为国内外唯一一家专注于表面增强拉曼光谱应用及纳米试剂制备技术研发的企业，提供贯穿“仪器-试剂-软件-算法”于一体的拉曼快检完整解决方案，大大推动了SHINERS技术的产业化进程。基于厦门大学院士团队研发的表面增强拉曼核心技术，公司研发的增强试剂，达到国际最高拉曼检测灵敏度，具有高灵敏度、高通量、高稳定性，操作简单的优势，结合我司系列拉曼仪器设备可广泛应用于农产品安全、食品安全、国防与公共安全、环境监测、医疗健康等领域，实现高效的实验室分析以及现场的快速检测。