Từ khi ra đời, SERS đã được sử dụng để khám phá nhiều vấn đề rộng lớn trong khoa học, đặc biệt là trong các nghiên cứu cấu trúc bề mặt. Các nhà khoa học kỳ vọng rằng việc áp dụng SERS tại chỗ sẽ giúp thu được những thông tin ở mức độ phân tử về sự phá vỡ và hình thành liên kết trong phản ứng, quan sát phản ứng tức thời trên bề mặt và cuối cùng, phân biệt các sản phẩm của phản ứng. Cấu trúc rất nhỏ và mặt phân cách với những phân tử nước là vấn đề quan trọng trong việc tìm hiểu bề mặt điện cực trong điện hóa học cũng như khoa học bề mặt. Tuy nhiên, tương tác giữa các phân tử nước và các ion của chất điện phân cũng như với bề mặt điện cực là rất phức tạp. Các nhà khoa học đã lạc quan rằng SERS sẽ trở thành một công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu cấu trúc bề mặt và các quá trình bề mặt khác nhau bao gồm mặt phân cách giữa các phân tử nước không có sự gây nhiễu của toàn bộ khối nước.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tìm cách làm tăng cường cường độ của tán xạ Raman nhờ sự kết hợp giữa quang phổ Raman với kính hiển vi quét đầu
dò như kính hiển vi nguyên tử lực (AFM) hoặc STM. Những yếu tố được quan tâm gồm việc chiếu sáng chỗ đầu dò AFM hoặc STM trong vùng lân cận của 1 đế. Một đầu dò được điều khiển trực tiếp hoặc qua máy tính. Việc chiếu sáng được thực hiện nhờ một tia laser, plasmon bề mặt định xứ được kích thích ở chỗ hở giữa đầu dò và đế, đã tạo ra một lượng lớn sự tăng cường địa phương của trường điện từ so với bcs xạ tới. Bằng cách này, phổ Raman và phương pháp đầu dò quét được kết hợp với nhau. Phương pháp mới này được gọi là Quang phổ học Raman tăng cường trên mũi nhọn (Tip Enhanced Raman Spectroscopy - TERS).
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý cơ bản của TERS
TERS được dùng để nghiên cứu phản ứng bề mặt trên đơn tinh thể và các bề mặt nhẵn, vì sự thô ráp bề mặt của một đế không thể hiện được trong trường hợp này.
Ngày nay khi khoa học ngày càng phát triển, việc quan sát được tại chỗ và không phá hủy bề mặt tự nhiên của SERS được dùng để nghiên cứu các thuộc tính sinh lý khác nhau và các quá trình sinh hóa của tế bào trong cơ thể sống. Dưới đây, chúng tôi mô tả một vài ví dụ mà SERS được sử dụng trong các thí nghiệm cảm biến sinh học.
SERS là một phương pháp hiệu quả nhận dạng các phân tử ở những hàm lượng rất thấp – một kĩ thuật tỏ ra rất hữu dụng trong chẩn đoán y khoa, pháp lí, và nhận dạng những loại thuốc mới. Gần đây, sự nghiên cứu tập trung vào việc phát hiện ra chất Anthrax Biomarker, Calciumdipicol-inate (CaDPA) bằng cách sử dụng SERS với ứng dụng các hạt nano bạc . Bào tử Bacillus (chất không độc, có dạng như Anthracis) được rung siêu âm trong axit nitric loãng để chiết lấy CaDPA; sau đó, dung dịch này được lắng đọng trên đế bạc. Kết quả chỉ ra phổ SERS với peak rõ ràng tại 1020 cm−1, biểu thị sự có mặt của CaDPA. Sử dụng phương pháp này, giới hạn phát hiện là 1400 bào tử, giới hạn này thấp hơn nhiều liều lượng truyền nhiễm là 104 bào tử.
Một trong các ứng dụng tiêu biểu và khả quan của SERS trong lĩnh vực y sinh học là sensor gluco. Sensor gluco thương mại hiện có phải dựa vào sự chăm chỉ và tỉ mỉ của người sử dụng để đọc dữ liệu từ lượng máu chích ra một cách định kỳ, nghĩa là dữ liệu về nồng độ đường máu chỉ được đưa ra một vài lần trong cả ngày. Một sensor gluco ghép cấy sẽ có một sự cải tiến rất nhiều và SERS được kỳ vọng là cách thức để làm một thiết bị như vậy. Để phát triển một sensor gluco như thế, các nhà nghiên cứu phải tập trung vào một đế SERS mà cho phép gluco tiếp cận với bề mặt kim loại để tạo ra được trường EM tăng cường, cũng để giải phóng nhanh từ bề mặt để duy trì một sự cân bằng định lượng, cái mà phản ánh chính xác nồng độ gluco cục bộ. Trong trường hợp cảm biến gluco, các nhà nghiên cứu đã phát triển một “đơn lớp tự liên kết” với thành phần gồm cả Hydrophobic và Hydrophilic và có thể liên kết trên đế bạc. Với đế SERS chức năng này, sự phát hiện định lượng nồng độ gluco cục bộ đã được chứng minh bằng cách sử dụng SERS cả trong và ngoài cơ thể sống. Hơn nữa, sensor gluco dựa trên SERS đo được nồng độ gluco trực tiếp bằng đặc trưng phổ của dấu hiệu nhiễm bệnh, tốt hơn phương pháp điện hóa trực tiếp dùng các sensor thương mại.
Hầu hết các thí nghiệm đều mô tả sự dò các phân tử được nhắc đến trong các bề mặt cảm biến theo hóa học pha lỏng. Tuy nhiên SERS có thể dò các phân tử pha khí,
như đã chỉ ra trong các nghiên cứu trước đây, các phân tử khác nhau được lắng đọng thể khí lên trên một đế bạc trong chân không siêu cao. Điều này đã được phát triển thành một quy luật để phát hiện một pha khí dưới những điều kiện xung quanh, đặc biệt đối với việc dò 2-chloroethyl ethyl sulfide (CEES), một loại khí độc trong chiến tranh hóa học. Bằng cách ủ đế bạc tối ưu đối với bước sóng kích thích 785nm với không khí bão hòa CEES, các nhà nghiên cứu đã có những bước quan trọng đầu tiên để phát hiện dạng khí độc này sử dụng quang phổ SERS.
Nhóm nghiên cứu của Weaver đã tìm ra một cách thức để mở rộng kĩ thuật SERS sang các bề mặt kim loại dẫn bằng cách làm kết tủa điện cực kim loại trên một chất nền bằng vàng cộng hưởng được chế tạo sẵn. Mặc dù ý tưởng này đã được thử nghiệm trước đó, nhưng vẫn không có khả năng để tạo những lớp phủ lỗ trống. Khác với phương pháp kết tủa nhanh bằng điện thế truyền thống, ông đã chế tạo ra những màng có chất lượng cao bằng cách làm kết tủa chậm tại Catốt. Những màng này phải đủ dày để biểu hiện tính chất hóa học khi phần lớn kim loại phải mỏng để thúc đẩy sự cộng hưởng điện từ của chất nền nằm dưới. Các ứng dụng đầy hứa hẹn từ phương pháp tại chỗ này dùng để nghiên cứu biểu hiện hỗn hợp pha khí và quá trình điện động lực đã được đề cập gần đây và tương lai của lĩnh vực này có nhiều hứa hẹn.
Nhóm của Natan đã xuất bản một loạt những bài báo gần đây về sự phát triển của chất nền SERS dựa vào chất keo bằng vàng. Những đặc tính quan trọng của các hệ là dễ chế tạo, sử dụng lại được, ổn định, hợp với các phân tử sinh học và có khả năng quan trọng nhằm phù hợp với các đặc trưng điện từ của bề mặt bằng cách kiểm soát kích thước và sự xếp đặt hạt. Những cộng sự của ông cũng chế tạo mẫu vàng phủ ngoài bằng bạc giống như một chất nền hữu ích. Tính linh hoạt của phương pháp này là một sự phát triển hứa hẹn đối với các ứng dụng phân tích.
Nie và Emory đã mang đến một thực nghiệm mới về SERS trên đơn phân tử bằng sự kết hợp giữa SERS với kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) với kính hiển vi quét đường hầm (STM). Nghiên cứu này cho phép họ tìm hiểu mối quan
hệ giữa hình thái của SERS với các hạt nano hoạt động và hiệu ứng SERS. Họ quan sát thấy sự tăng cường Raman 1014 đến 1015
lần từ đơn phân tử Rhodamine 6G hấp thụ trên các hạt nano bạc. Trong trường hợp SERS với đơn phân tử, họ quan sát thấy một kết quả riêng biệt hơn là giá trị trung bình của toàn bộ như thường thu được của phép đo SERS. Sự khởi đầu của công nghệ SERS đơn phân tử đã mang đến một phương tiện mới trong nghiên cứu y sinh như một công cụ thăm dò để nghiên cứu các loại phân tử sinh học khác nhau như virus, vi khuẩn, protein, DNA và RNA.