La diffusion Raman améliorée en surface est un phénomène par lequel les signaux lumineux normalement faibles qui sont associés à la diffusion Raman deviennent beaucoup plus puissants et plus facilement détectables. Bien que la spectroscopie Raman soit un moyen utile d’identifier les molécules présentes dans un matériau ou une solution, elle est limitée par le fait que l’effet est très faible, avec normalement seulement un photon entrant sur 108 soumis à ce type de diffusion. La diffusion Raman améliorée en surface entraîne une amplification considérable de cet effet, généralement d’un facteur de 103 à 106, et dans certaines circonstances jusqu’à 1015. L’amélioration est obtenue lorsque les molécules à l’étude sont en contact avec, ou à proximité, d’un surface métallique présentant une rugosité à l’échelle de 10 à 100 nanomètres (nm). L’argent, l’or et le cuivre donnent les meilleurs résultats et sont généralement utilisés sous forme de nanoparticules.
On pense que l’effet est produit lorsque des plasmons sont créés à la surface du métal par la lumière laser utilisée pour obtenir une diffusion Raman améliorée en surface. Les plasmons sont des ondes électromagnétiques qui parcourent une courte distance à la surface du métal lorsque le nuage d’électrons du métal est stimulé par la lumière. De minuscules irrégularités à la surface des nanoparticules semblent concentrer l’effet, qui est encore accru lorsque les nanoparticules sont disposées en grappes. Le champ électromagnétique généré semble alors amener les molécules à proximité immédiate à démontrer une diffusion Raman beaucoup plus intense que ce ne serait normalement le cas. On pense également que la chimie pourrait jouer un rôle dans certains cas, mais la recherche vers une explication complète est en cours.
Cet effet a conduit au développement de la spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS), une technique qui a considérablement étendu la portée de la spectroscopie Raman, permettant la détection de quantités extrêmement faibles de diverses substances sans avoir besoin d’instruments coûteux. Pour maximiser l’effet de diffusion Raman amélioré en surface, le matériau à l’étude est déposé sur des nanoparticules métalliques appropriées, souvent dans un colloïde. Comme avec la spectroscopie Raman traditionnelle, un laser monochromatique est utilisé pour produire la diffusion requise. Avant que la lumière diffusée ne soit analysée, le signal le plus intense dû à la diffusion Rayleigh est filtré pour éviter qu’il ne submerge les signaux Raman.
La sensibilité grandement améliorée de la diffusion Raman améliorée en surface permet à la technique d’être utilisée pour détecter de nombreux composés chimiques à l’état de traces. Il a donc des applications en médecine légale, en surveillance environnementale et en médecine. Des nanoparticules métalliques peuvent être introduites dans des cellules vivantes, ce qui permet d’utiliser le SERS pour étudier l’activité biochimique cellulaire.