GBT 44075-2024 纳米技术 表面增强拉曼固相基片均匀性测量 拉曼成像分析法标准立项发展报告

纳米技术表面增强拉曼固相基片均匀性测量拉曼成像分析法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Nanotechnology—MeasurementofUniformityofSolid-StateSurface-EnhancedRamanSubstrates—RamanImagingAnalysisMethod摘要表面增强拉曼散射（Surface-EnhancedRamanScattering,SERS）技术因其极高的检测灵敏度和独特的分子指纹识别能力，已成为痕量物质检测、生物医学诊断、环境监测及食品安全等领域的重要分析工具。SERS基片作为该技术的核心耗材，其均匀性直接影响检测结果的可靠性、可重复性和定量分析的准确性。然而，长期以来国内外缺乏针对SERS固相基片均匀性评价的统一方法标准，导致不同实验室、不同批次基片的性能难以横向比对，严重制约了SERS技术的标准化应用和产业化进程。本报告系统阐述了GB/T44075-2024《纳米技术表面增强拉曼固相基片均匀性测量拉曼成像分析法》的立项背景、编制依据、核心技术内容及其在SERS基片质量控制体系中的关键作用。该标准确立了基于拉曼成像分析法的SERS固相基片均匀性测量方法，通过逐点扫描采集基片表面多个区域的光谱信号，构建信号强度空间分布图，并以相对标准偏差（RSD）等统计参数定量表征基片的宏观与微观均匀性。标准的发布实施填补了我国在SERS基片标准化评价领域的空白，为基片研发、生产质控及检测应用提供了统一的技术依据，对推动我国纳米技术标准化体系建设具有里程碑式的意义。关键词：表面增强拉曼散射；固相基片；均匀性测量；拉曼成像分析；纳米技术；标准化Keywords:Surface-EnhancedRamanScattering(SERS);Solid-StateSubstrate;UniformityMeasurement;RamanImagingAnalysis;Nanotechnology;Standardization1引言1.1研究背景表面增强拉曼散射（SERS）技术自20世纪70年代被发现以来，经过近五十年的发展，已成为纳米光子学和分子光谱学交叉领域最具活力的研究方向之一。当目标分子吸附于粗糙贵金属（金、银、铜等）纳米结构表面或纳米颗粒间隙（即"热点"）时，其拉曼散射信号可获得\(10^4\)至\(10^{14}\)倍的增强，甚至可实现单分子水平的检测。这种超高的灵敏度使SERS技术在食品安全[1]、环境监测[2]、生物医学诊断[3]、毒品与爆炸物检测[4]以及文化遗产保护[5]等领域展现出广阔的应用前景。SERS固相基片（Solid-StateSERSSubstrate）是将贵金属纳米结构通过物理或化学方法固定于刚性载体（如硅片、玻璃、石英等）表面制备而成的功能化基底，是SERS技术走向实际应用的关键载体。相较于溶胶态SERS体系，固相基片具有便携性好、稳定性高、易于集成化和自动化等突出优势，因此成为当前SERS研究和产业化的主流方向。然而，固相基片的均匀性——即基片表面各位置SERS增强信号的一致性——是制约其实际应用的核心瓶颈之一。基片制备过程中纳米结构的密度分布、形貌一致性、聚集程度等因素的微小波动，均可能导致信号强度的显著差异，直接影响定量分析的准确性和检测结果的可靠性[6]。1.2标准化的迫切需求尽管SERS技术在学术研究和应用开发领域取得了长足进展，但其标准化进程明显滞后。截至本标准的提出，国内外尚无针对SERS固相基片均匀性测量的系统性方法标准。从国际层面看，国际标准化组织纳米技术委员会（ISO/TC229）虽已发布部分纳米材料表征标准，但尚未覆盖SERS基片均匀性的测量方法。从国内层面看，我国已发布GB/T36063-2018《纳米技术拉曼光谱法测定纳米材料的结构稳定性》等标准[7]，但涉及SERS增强性能评价的关键技术标准仍然缺位。这种标准缺位带来的问题日益突出：其一，各SERS基片生产厂商的内部质控方法和评价指标各不相同，导致产品质量参差不齐，下游用户难以有效甄别；其二，不同研究团队所报道的SERS性能数据缺乏可比性，文献间的数据难以互认，阻碍了技术交流与成果转化；其三，面向临床诊断、食品安全监管等应用领域，检测结果的可追溯性和可重复性要求无法得到满足。因此，制定统一的SERS固相基片均匀性测量标准成为行业发展的迫切需求。1.3标准编制依据与工作过程本标准的制定严格遵循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》[8]和GB/T20001.4-2015《标准编写规则第4部分：试验方法标准》[9]的规定，同时充分参考了ISO18115-1《表面化学分析词汇第1部分：通用术语及术语的表述》[10]以及ISO5725系列关于测量方法和结果的准确度（正确度和精密度）方面的国际通行要求[11]。标准起草组在前期开展了广泛调研，系统汇总了国内外代表性SERS基片产品信息和相关技术文献，组织了多次实验室间比对试验，对不同类型基片（包括电化学沉积型、自组装纳米颗粒型、纳米光刻型等）进行了均匀性测量的方法学验证，为标准技术内容的科学性和适用性提供了坚实的数据支撑。本文件由全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279）提出并归口，于2024年5月28日由国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）批准发布，并将于2024年12月1日正式实施。2编制原则与核心技术内容2.1编制原则本标准的编制遵循以下基本原则：（1）科学性。均匀性测量的核心在于如何科学、客观、可量化地表征基片表面SERS信号的空间分布一致性。标准编制过程中充分考虑了SERS增强机制的特点和拉曼成像技术的物理基础，确保测量方法的原理严谨、数据处理方法合理。（2）可操作性。标准规定的测量方法力求简便易行，所使用的仪器设备（共聚焦拉曼光谱仪或拉曼成像系统）在国内外均有成熟的商业化产品，测试流程清晰明确，便于各类检测实验室和生产企业直接采用。（3）通用性。标准所规定的测量方法适用于多种类型的SERS固相基片，包括但不限于纳米颗粒自组装基片、纳米光刻基片、多孔材料负载型基片等，具有广泛的适用性。（4）前瞻性。标准的制定兼顾了当前技术水平和未来发展趋势，测试指标体系的设置既满足了现阶段基片质量评价的基本需求，又为后续更高精度、更大面积测量技术的引入预留了空间。2.2适用范围与规范性引用文件标准明确规定了其适用范围为表面增强拉曼固相基片均匀性的拉曼成像测量与评价方法，适用于平整刚性表面上制备的各类SERS固相基片。标准不限定基片的制备方法和增强材料类型（可为金、银或其他具有SERS增强效应的金属或复合结构），但要求基片表面应满足拉曼成像测量的基本物理条件（如具有足够的平整度以适配共聚焦光学系统的焦平面要求）。标准正文中规范性引用了以下重要文件：-GB/T36063《纳米技术拉曼光谱法测定纳米材料的结构稳定性》——规定了拉曼光谱测量的一般性要求；-GB/T38257-2019《激光拉曼光谱法检测化学制品中多环芳烃》——为拉曼信号采集和分析提供了方法参考；-ISO18115-1《表面化学分析词汇》——统一了表面分析领域的基础术语；-GB/T20001.4《标准编写规则第4部分：试验方法标准》——规范了试验方法标准的编写格式。2.3均匀性的定义与评价指标体系标准首次系统界定了SERS固相基片均匀性的科学内涵。根据基片制备工艺和实际应用需求，将均匀性划分为空间尺度不同、相互关联的两个层次：-宏观均匀性：指在基片宏观范围内（通常为毫米至厘米量级），不同区域间SERS信号强度的总体一致性，反映的是基片大面积制备工艺的稳定性，决定了基片是否适用于需要大面积扫描或高通量检测的应用场景。-微观均匀性：指在微米尺度内基片表面紧密相邻位置间信号强度的波动程度，直接反映了纳米结构的局域分布密度和形貌一致性，决定了单点测量的代表性以及基片是否适用于微区分析和单分子检测场景。对于上述两个层次的均匀性，标准均以相对标准偏差（RelativeStandardDeviation,RSD）作为统一的定量评价指标，并详细规定了信号采集、数据处理和统计计算的完整流程，确保不同操作者和不同实验室间测量结果的可比性。2.4拉曼成像测量方法标准核心技术内容为基于拉曼成像分析法的均匀性测量流程，主要包括以下步骤：（1）样品准备与安装。标准规定基片应在干燥、洁净的条件下存放和测量，避免表面污染和氧化对SERS信号产生干扰。测量前可使用惰性气体吹扫基片表面去除松散附着颗粒物，但不得使用可能导致表面性质改变的化学处理方式。基片应平整固定于载物台上，并通过光学显微镜观察确认待测区域的表面形貌状态。（2）探针分子的选择与修饰。SERS基片的均匀性测量需借助合适的探针分子——即拉曼信号已知且能稳定吸附于基片表面的特征化合物。标准推荐使用罗丹明6G（R6G）或对巯基苯胺（4-ATP）等具有大拉曼散射截面和良好化学吸附特性的标准分子。探针分子溶液的浓度应保持一致（推荐在\(10^{-6}\)mol/L至\(10^{-5}\)mol/L范围内选择，具体依据基片增强能力调节），以确保基片表面形成亚单层至单层吸附，避免多层吸附引入额外信号波动。（3）拉曼成像采集参数设定。标准对拉曼成像的采集参数提出了明确的推荐条件：激发波长可根据基片材料和探针分子的共振特性选择（常用532nm或785nm），激光功率应在不引起基片损伤或探针分子光降解的前提下尽可能保持稳定，积分时间应保证各测量点的信噪比不低于10:1。成像扫描方式可采用逐点扫描（point-by-pointmapping）或线扫描（linescanning）模式，空间步长应不大于拟评价的最小尺度单元。（4）数据采集与均匀性评估。在选定的测量区域内（标准推荐测量区域面积不小于1mm²），以设定步长进行二维光栅扫描，采集每个空间位置的拉曼光谱。提取探针分子特征拉曼峰的峰强度（或峰面积）作为SERS信号的定量指标，构建信号强度的空间二维分布图。在此基础上，对全部测量点进行统计分析，计算平均值、标准差和相对标准偏差。标准的判定参考为：RSD≤10%可认为均匀性优秀，RSD≤15%可认为均匀性良好，RSD>20%则判定为均匀性不合格。（5）结果表达与报告。标准要求测量报告应完整记录基片类型、探针分子体系、仪器参数设置、扫描区域范围和步长、信号统计结果（包括平均值、标准差、RSD值）以及信号空间分布图像等信息，以保障测量过程的可追溯性和结果的可复现性。3标准的推广应用前景3.1在SERS基片研发与生产质控中的应用本标准为SERS基片的研发和生产提供了首要的质控手段。对于基片制造企业而言，统一标准能够帮助建立覆盖全生产流程的质量监控体系，包括原料批次检验（评估不同批次的基底材料是否影响基片均匀性）、工艺参数优化（定量分析不同制备参数下的基片均匀性变化）、出厂质量检验和产品分级，以及长期储存稳定性监测。3.2在检测方法标准化和结果互认中的应用在食品中非法添加物检测、环境水体中持久性有机污染物分析、临床生物标志物筛查等应用领域，采用高均匀性的标准基片是获得可靠定量数据的先决条件。通过采用统一的标准对基片质量和性能进行评价，不同实验室间的检测结果具备了可比性和互认基础，为SERS技术进入标准检测方法体系奠定基石。3.3在纳米计量与标准物质研制中的应用均匀性评价是标准物质研制的核心环节之一。本标准的发布为SERS基片类标准物质及探针分子标准溶液的研制定值提供了方法学支撑，同时也为基于SERS技术的纳米计量溯源体系的建立提供了基础。3.4推动国际贸易与产业健康发展本标准的实施有利于消除技术性贸易壁垒，促进国产SERS基片产品的国际市场准入。同时，通过标准引领，促进SERS基片产业技术升级，淘汰落后产能，引导产业结构优化。4修订单位简介本文件由全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279）提出并归口，起草工作由多家国内纳米技术领域优势单位共同完成。全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279）成立于2005年，是经国家标准化管理委员会批准设立的全国性专业标准化技术组织，对口国际标准化组织纳米技术委员会（ISO/TC229）。委员会由中国科学院院士领衔，汇聚了来自科研院所、高等院校、检测机构和龙头企业的百余名资深专家，涵盖纳米材料制备与表征、纳米生物医学、纳米检测技术等多个学科方向。在SAC/TC279的组织协调下，本标准的起草工作组汇聚了来自国家纳米科学中心、中国计量科学研究院等权威科研机构的资深专家，以及国内SERS基片领域的主要研发生产企业技术骨干。起草工作历经草案编写、方法学研究、实验室间比对验证、专家函审和会议审查等多个阶段。在标准技术内容形成过程中，项目组组织了全国8家实验室开展了系统的协同试验，对来自国内5家主要生产企业的12种典型SERS固相基片样品进行了均匀性测量的交叉验证，充分验证了标准方法的可操作性和测量结果的复现性。通过严谨的程序和充分的试验论证，确保了标准技术指标的科学合理及其在我国SERS领域的广泛适用性。5结论与展望GB/T44075-2024《纳米技术表面增强拉曼固相基片均匀性测量拉曼成像分析法》的发布实施，填补了我国SERS固相基片标准化评价领域的关键空白，标志着我国SERS技术标准化工作从基础术语和通用方法向核心性能评价方法的纵深推进。该标准首次为我国SERS行业提供了统一的基片均匀性测量与评价方法，不仅为基片研发生产提供了科学的质量控制工具，也为各应用领域中SERS检测方法的标准化和检测结果的互认提供了必要的技术基础。展望未来，随着SERS技术不断向临床诊断、现场快速检测等更高要求的应用场景渗透，标准化需求将更为迫切和多元化。建议各方着力推进以下方向：（1）以本标准为基础，加快制定SERS基片增强因子测量标准，明确基片分析灵敏度的定量评价方法，与国际上关于SERS增强因子的计量比对要求接轨；（2）研制SERS基片均匀性测量用标准物质并建立相应的计量溯源体系，为基片性能的量值溯源提供实物基准；（3）探索覆盖不同应用场景的SERS方法标准，如用于生物标志物定量检测的SERS分析标准操作规程（SOP），为体外诊断等领域的产业化应用铺平道路；（4）积极推动本标准的国际转化，适时向ISO/TC229提出国际标准提案，增强我国在全球纳米技术标准制定中的话语权和影响力，为全球SERS技术的规范化发展贡献中国方案与中国智慧。参考文献[1]ZhengJ,HeL.Surface-enhancedRamanspectroscopyforthechemicalanalysisoffood.*ComprehensiveReviewsinFoodScienceandFoodSafety*,2014,13(3):317-328.[2]HalvorsonRA,VikeslandPJ.Surface-enhancedRamanspectroscopy(SERS)forenvironmentalanalyses.*EnvironmentalScience&Technology*,2010,44(20):7749-7755.[3]LaingS,JamiesonLE,FauldsK,etal.Surface-enhancedRamanspectroscopyforinvivobiosensing.*NatureReviewsChemistry*,2017,1(8):0060.[4]YanX,YangP.Rapidandlabel-freedetectionofillicitdrugsusingsurface-enhancedRamanspectroscopy.*AnalyticalMethods*,2020,12(38):4615-4625.[5]PozziF,ZaleskiS,CasadioF,etal.Su