1. 当波束为V₀的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射；

图1 光的散射原理图

2. 在量子理论中，当入射的光量子与分子相碰撞时出现两种散射：
（1）瑞利散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向;
（2）拉曼散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换。

图2 瑞利散射与拉曼散射原理图

1. 改变入射光频率，拉曼散射光频率也随之发生改变，但是Δv不变。频率位移Δv只与散射分子本身的结构有关；

2. 瑞利散射强度约为入射光强度的10^-5，而拉曼谱线的强度约为瑞利谱线强度的10^-2。

传统拉曼光谱信号弱，灵敏度低是困扰其实际应用的一大缺点。激光作为光源问世后，很大程度上解决了拉曼信号弱这一问题，但是对环境中低浓度的物质检测，拉曼光谱仍然存在诸多不足。

1974年，首次发现吡啶吸附在粗糙银电极表面异常增强的拉曼光谱图。1977年，Van Duyne等人经过实验和理论计算得出吡啶的拉曼信号被增强了106倍。电极粗糙表面存在某种效应，该效应被称为表面增强拉曼效应（SERS)，该光谱被称之为表面增强拉曼光谱。研究表明，增强拉曼光谱的增强机理主要源自于电磁场增强以及化学增强两个方面。

图3 表面增强拉曼示意图以及机理

农药检测：

农药直接污染环境和食物，最终被人体吸收。其残留物具有高毒性，对人体健康造成严重影响。色谱法、气液色谱串联质谱法等在农药残留检测中应用较为广泛，但存在预处理步骤复杂、费时耗力等缺点。表面增强拉曼光谱（SERS）技术因具备灵敏度高、特异性好、提供全面指纹信息且对样品无损等优点，被视为一种新型农残检测方法，可通过简单提取实现液体或固体样品中痕量农药残留的高效检测^[1]。SERS已经被证明是一种强大的快速检测复杂食物基质中残留农药的技术。

Zhang^[2]等人构建了一种新型的SERS用于农药检测的技术，利用商用胶带的柔性、透明性和粘附性，将Al₂O₃涂层银纳米棒(AgNR@Al₂O₃)阵列负载在胶带上，实现农药残留的快速检测。该方法中，SERS信号易于获取，且识别清晰，可以快速确定果蔬中四甲基硫脲、噻苯咪唑农药等复杂表面的成分，可实际应用于食品安全、环境监测和工业生产过程控制。

图4 AgNR@Al₂O₃阵列用于农药检测机理

化学反应机理的原位监测：

利用各种表征、分析手段是理解化学反应过程机理的重要途径。在环境领域，开发高效的污染物去除技术，或者是开发高效的产能（氢气、烷烃类等）技术，是缓解当下环境污染以及能源危机问题的关键。而研究这些化学反应过程的机理，对于开发具有高效性能的污染物降解/产能工艺具有重要的指导意义。

原位表征/分析技术能够实时、动态监测化学反应过程中催化剂与反应物分子的分子变化情况。原位XRD、原位SEM以及原位XPS等技术，只能监测催化剂组分在反应过程中晶型、表面形貌以及表面元素组成价态的变化。将普通的非原位装置改造为原位监测装置通常也较为复杂，这些技术对于水相等反应也存在难以实现监测等问题。

色谱以及色谱质谱联用技术能够有效监测反应过程中有机物分子的动态变化情况。但其存在需要对样品进行前处理等系列问题，且检测周期较长。原位表面增强拉曼技术在原有的拉曼仪器装置上，外加原位反应池，可以较为简便的实现反应过程中的检测。拉曼光谱本身具有的灵敏度高、无损性以及水分子干扰小等特点也成为了该技术的优点所在。

利用原位增强拉曼光谱，可以有效的检测反应过程中体系生产的中间产物，反应过程中反应中间体的产生以及转化机制。Lu^[3]等人利用原位增强拉曼技术来检测CoFe₂O₄/Ag 降解MB分子过程中的机理，研究中CoFe₂O₄既作为催化剂也作为SERS的基底材料，在532 nm激光强度下获得了清晰的拉曼光谱信号，随着反应时间推进，MB位于1623 cm^-1与1425 cm^-1以及1394 cm^-1处的特征峰发生了明显的下降，这表明MB分子骨架在反应过程中发生了破坏。Xie^[4]等人利用核壳Au@Ni₃FeO_x纳米材料的SERS效应，研究了FeNi复合催化材料在析氧反应过程中的关键中间产物O-O–的生成情况，结果表明，Fe是·OH向O-O–转化的活性位点，随后被Fe、Ni位点吸附，O-O-上电子转移至Ni³⁺，最终形成目标产物O₂。

图5 CoFe₂O₄作为SERS基底材料用于MB降解机理原位拉曼光谱图

图6 Au@Ni₃FeO_x作为SERS基底材料用于析氧反应中间体检测