La diffusione Raman con superficie migliorata è un fenomeno per cui i segnali luminosi normalmente deboli associati alla diffusione Raman diventano molto più potenti e più facilmente rilevabili. Sebbene la spettroscopia Raman sia un mezzo utile per identificare le molecole presenti in un materiale o in una soluzione, è limitata dal fatto che l’effetto è molto debole, con normalmente solo uno ogni 108 fotoni in arrivo soggetti a questo tipo di diffusione. Lo scattering Raman potenziato in superficie fa sì che questo effetto venga notevolmente amplificato, tipicamente di un fattore compreso tra 103 e 106, e in alcune circostanze fino a 1015. Il miglioramento si ottiene quando le molecole in esame sono in contatto o in prossimità di un superficie metallica che presenta rugosità sulla scala di 10-100 nanometri (nm). Argento, oro e rame danno i migliori risultati e sono solitamente impiegati sotto forma di nanoparticelle.
Si pensa che l’effetto venga prodotto quando i plasmoni vengono creati sulla superficie del metallo dalla luce laser utilizzata per ottenere una diffusione Raman potenziata in superficie. I plasmoni sono onde elettromagnetiche che percorrono una breve distanza attraverso la superficie del metallo quando la nube di elettroni del metallo viene stimolata dalla luce. Piccole irregolarità sulla superficie delle nanoparticelle sembrano concentrare l’effetto, che aumenta ulteriormente quando le nanoparticelle sono disposte in cluster. Il campo elettromagnetico generato sembra quindi far sì che le molecole nelle immediate vicinanze dimostrino una diffusione Raman molto più intensa di quanto sarebbe normalmente il caso. Si pensa anche che la chimica possa svolgere un ruolo in alcuni casi, ma la ricerca verso una spiegazione completa è in corso.
Questo effetto ha portato allo sviluppo della spettroscopia Raman con superficie potenziata (SERS), una tecnica che ha notevolmente ampliato la portata della spettroscopia Raman, consentendo il rilevamento di quantità estremamente piccole di varie sostanze senza la necessità di strumenti costosi. Per massimizzare l’effetto di scattering Raman potenziato in superficie, il materiale in esame viene depositato su nanoparticelle metalliche adatte, spesso in un colloide. Come con la spettroscopia Raman tradizionale, viene utilizzato un laser monocromatico per produrre la dispersione richiesta. Prima che la luce diffusa venga analizzata, il segnale più intenso dovuto alla diffusione di Rayleigh viene filtrato per evitare che travolga i segnali Raman.
La sensibilità notevolmente migliorata dello scattering Raman potenziato in superficie consente di utilizzare la tecnica per rilevare numerosi composti chimici in tracce. Ha quindi applicazioni in scienze forensi, monitoraggio ambientale e medicina. Le nanoparticelle metalliche possono essere introdotte nelle cellule viventi, rendendo possibile l’uso del SERS per studiare l’attività biochimica cellulare.