基于金纳米杆/PMMA基底SERS特性的高灵敏肿瘤标志物无标记检测

高品质贵金属纳米结构基底的制备是应用表面增强拉曼散射(SERS)技术进行高灵敏生物检测的关键。采用改进的Langmuir-Blodgett方法,通过在金纳米杆(Au NRs)溶胶注入乙醇,使得Au NRs迁移至溶胶与甲苯的交界面,并用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固定交界面处的Au NRs,形成大面积分布、均匀致密排列的二维畴状Au NRs/PMMA纳米结构薄膜基底。然后,采用等离子体清洗技术处理制备的基底,使得金纳米杆(Au NRs)的表面裸露,以增强基底的SERS特性。实验表明,Au NRs/PMMA基底具有优良的SERS特性,在785 nm波长的激光照射下,增强因子可以达到5.49×106。此外,利用制备的Au NRs/PMMA基底,开展前列腺癌症肿瘤标志物--前列腺特异性抗原(PSA)的高灵敏无标记定量检测研究。在PSA的无标记检测过程中,首先对PSA标准溶液和新生牛血清进行SERS光谱的直接检测,得到PSA分别位于823, 1 080, 1 385, 1 586和1 640 cm-1处的主要的拉曼特征峰;其次,通过对PSA标准溶液、临床男性血清样本及女性血清样本的SERS光谱进行测量和分析,筛选出在PSA的SERS光谱中与血清中PSA含量相关的拉曼特征峰,它们是分别位于649,680以及1 640 cm-1处的拉曼特征峰。进一步,通过对与PSA同属糖蛋白的肿瘤标志物甲胎蛋白(AFP)以及与PSA同源的人腺体激肽释放酶2(hK2)进行SERS光谱检测和分析,发现位于1 640 cm-1处的拉曼特征峰对于PSA具有高的特异性,将其作为临床血清样本中PSA无标记定量检测的具有特异性的拉曼特征峰,并以此为依据,对不同PSA浓度的标准溶液进行检测,得到位于1 640 cm-1处的拉曼特征峰强度与PSA样本溶液中PSA的浓度相关的剂量-响应曲线。最后,开展临床血清样本的应用检测。结果表明,基于Au NRs/PMMA基底的SERS检测结果与化学发光免疫分析(CLIA)方法的检测结果一致,且具有比CLIA更高的检测灵敏度,最低检测极限为0.06 ng·mL-1,且无标记检测范围为0.1 mg·mL-1～0.1 ng·mL-1。因此,基于Au NRs/PMMA SERS基底的高灵敏肿瘤标志物无标记检测具有重要应用前景。     

纳米酶表面增强拉曼研究进展

纳米酶是一类既有纳米材料的独特性能,又有催化功能的模拟酶,而表面增强拉曼散射(SERS)是由于一些分子吸附在粗糙金属纳米粒子或其他具有增强性能的纳米材料表面引起的拉曼信号被极大增强的现象,二者有一定的共性。除了贵金属、双金属纳米酶SERS基底的SERS增强来源于电磁场增强机制以外,SERS纳米酶复合材料基底的SERS增强机制一般为电磁场增强与化学增强共同起到作用。由于纳米酶是以纳米材料为基础的催化材料,而SERS基底材料也依赖于纳米材料,纳米酶SERS基底材料的构筑需要协同材料的类酶催化和SERS两个方面的活性。然而SERS活性基底材料的引入有可能会减少催化剂表面催化中心位点,降低催化效率,还会由于被催化分子在催化活性材料与SERS活性材料上的吸附性能不同造成SERS检测信号不能真实反映催化反应的真实进程,很大程度上限制了SERS技术对于催化监测的应用。因此对于纳米酶SERS基底来说,其有效的设计构筑来协同复合材料的催化与SERS活性对于纳米酶催化体系研究具有重要的意义。纳米酶SERS基底材料对于SERS技术在环境监测、食品安全、生物医学等领域应用具有重要的意义。基于特异性分子或者离子对于纳米酶催化反应的刺激响应,可以间接检测一些无拉曼散射截面的小分子,重金属离子和生物分子等,而这些分子本身是无法通过与基底的作用而直接被检测出来,对于这些分子的检测助于推进表面增强拉曼技术的普适化应用。纳米酶SERS基质材料的研究在理论和实际应用中具有重要价值,在催化机理、监测以及超敏生物传感领域具有广阔的前景。     

Au/TiN复合薄膜制备及其表面增强拉曼光谱研究

表面增强拉曼散射光谱(SERS)已用于环境监测、生物医药、食品卫生等领域,而高活性SERS基底是表面增强拉曼散射光谱技术应用的关键。TiN作为新型等离子材料具有较强的SERS性能,同时化学稳定性及生物相容性较好,但其SERS性能不如贵金属金强。该研究采用氨气还原氮化法和电化学沉积法,在TiN薄膜表面沉积贵金属Au纳米颗粒制备出Au/TiN复合薄膜。在Au/TiN复合薄膜中单质Au和TiN两种物相共存;随着电化学沉积时间延长,TiN薄膜表面单质金纳米颗粒数量逐渐增多,金纳米颗粒尺寸增大,颗粒间距减小。由于金与TiN两者的本征表面等离子共振耦合作用,Au/TiN复合薄膜的共振吸收峰发生了偏移。利用罗丹明6G为拉曼探针分子,对Au/TiN复合薄膜进行SERS性能分析,发现Au/TiN复合薄膜上的R6G探针分子的拉曼峰信号强度随沉积时间延长呈现先增大后减小的规律;当电化学沉积时间为5 min时,R6G拉曼信号峰较高,复合薄膜样品的SERS活性最大。将Au/TiN复合薄膜和Au薄膜分别浸泡在10-3,10-5,10-7,10-8及10-9 mol·L-1 R6G溶液5 min,进行检测限分析,发现Au/TiN复合薄膜检测极限达10-8 mol·L-1,增强因子达到8.82×105,与Au薄膜和TiN薄膜相比,Au/TiN复合薄膜上对R6G探针分子SERS活性最高。这得益于Au/TiN复合膜中表面等离子体产生的耦合效应,使得局域电磁场强度增强,从而引起R6G探针分子拉曼信号增强。通过2D-FDTD模拟电场分布发现Au/TiN,Au及TiN薄膜具有电场增强作用,其中Au/TiN复合薄膜的增强作用尤为显著,这也证实了氮化钛与金纳米颗粒之间存在耦合效应。另外发现TiN与Au之间可能存在电荷转移,促进了4-氨基苯硫酚氧化反应,进而证实了TiN与Au薄膜的协同作用。此外,Au/TiN复合薄膜均匀性较好,相对平均偏差仅为7.58%。由此可见,采用电化学沉积制备的Au/TiN复合薄膜具有作为SERS基底材料的应用潜力。     

表面增强拉曼与催化双功能材料研究与应用

表面增强拉曼散射(SERS)是吸附在纳米材料表面分子的拉曼信号被极大增强的现象,而纳米材料由于其量子效应具有优异的催化功能。协同复合材料的催化与SERS活性,在原位-动态环境条件下,研究催化剂本身及其表面的分子转化催化过程,间接超灵敏检测小分子、重金属离子、生物分子等对于催化体系研究具有重要的意义。最近构筑了一系列SERS-催化集成体系,并利用SERS技术研究了其催化机制与应用。     

DNA诱导金纳米粒子自组装及其SERS表征

首先将巯基DNA分子与金纳米粒子偶联,并用琼脂糖凝胶电泳分离出含不同DNA分子数目的金纳米粒子,最后将修饰有互补DNA链的Au纳米粒子进行组装,得到组装体(五聚体)。透射电子显微镜(TEM)研究表明,DNA-Au纳米组装体被成功地获得;表面增强拉曼光谱(SERS)研究表明,与未组装的金纳米粒子相比,DNA-Au纳米组装体具有更强的SERS活性。     

币族金属对糠醛分子拉曼信号的化学增强效应研究

本文利用密度泛函理论研究了糠醛分子的拉曼光谱和Furfural-M_X(M=Ag,Au,Cu)复合物的表面增强拉曼光谱。在单个糠醛分子的拉曼光谱中,计算出各拉曼峰的振动模式,并结合分子电荷密度和静态电势图分析了峰位偏差的具体原因。研究了Furfural-MX复合物的原子数量和种类对糠醛SERS化学增强因子的影响和相应电荷转移的改变。本研究加深了人们对糠醛分子表面增强拉曼散射电荷转移效应的认识。     

对炔基苯硫酚在银纳米粒子上的SERS光谱理论研究

对炔基苯硫酚分子吸附在银纳米粒子上表现出较强的表面增强拉曼光谱(SERS)信号。本文采用密度泛函理论(DFT)对炔基在银纳米粒子上不同吸附方式以及振动光谱进行了计算分析。研究结果表明,当炔基与金属之间有相互作用时,C≡C键伸缩振动的频率红移,拉曼强度显著增强。同时也从分子与金属作用角度初步探讨了实验所观测谱线宽度增宽的现象。此外,通过含时密度泛函理论(TD-DFT)进一步研究了吸附分子与金属之间的电荷转移性质,并分析了其预共振拉曼光谱。该工作初步建立了在银表面上炔键的吸附构型与SERS光谱之间的关系。     

荧光/表面增强拉曼散射双模式纳米光学探针的构建及性能研究

提出一种新型的荧光及表面增强拉曼散射（SERS）双模式光学纳米探针。首先,通过再沉淀-包覆法合成二氧化硅包覆香豆素6的纳米颗粒,再在二氧化硅表面静电吸附多聚赖氨酸分子形成包覆层,随后通过原位还原的方法在多聚赖氨酸壳层复合银纳米颗粒,最后在银纳米颗粒表面吸附拉曼分子即形成双模式纳米探针。该探针通过二氧化硅包覆的荧光分子产生荧光信号,以多聚赖氨酸表面的银纳米颗粒作为SERS增强基底,利用拉曼分子获得SERS信号,实现了荧光及SERS双模式成像。荧光与表面增强拉曼散射相结合的双模式分析技术可同时发挥二者的优点,提高成像的分辨率和灵敏度,在生物医学领域具有重要的应用价值。     

纳米类酶催化材料SERS基底的构筑及其应用研究

兼具多功能性质的材料是当今表面增强拉曼(SERS)基底构筑的发展方向。纳米模拟酶催化剂近年来发展迅速,引起了不同领域包括材料、化学、生物学、医学等学科的广泛研究兴趣。与天然酶相比,纳米酶具有高稳定性和可调催化活性以及价格低的优点,并能够避免生物酶易失活的特点,使其在催化和酶动力学领域具有广泛的应用前景,特别是在分析化学中有重要意义。构筑了一系列兼具类酶催化活性和SERS活性的纳米酶SERS基底,利用SERS及其他技术研究了类酶催化过程中分子的反应动力学过程,探讨了其类酶催化机理,并将其应用于多种有机分子及生物分子的超灵敏检测中。这里我们介绍几种多功能纳米类酶催化材料SERS基底的构筑及其应用研究:(1)石墨烯/半导体/金属复合纳米酶催化材料的构筑及其对生物体系的超灵敏检测;(2)碳点/金属复合纳米材料的构筑及其SERS增强机制与类酶催化性质研究;(3)导电高分子/金属复合材料的制备及其SERS与类酶催化性质研究;(4)金属/MOF复合材料的构筑及其SERS与类酶增强催化机理与检测研究。     

基于半导体氧化钨W_(18)O_(49)SERS的研究

表面增强拉曼光谱(SERS)是鉴定分子物种的非常强大的工具,但不幸的是它基本上限于贵金属载体(Au,Ag和Cu)。我们报告使用非化学计量的氧化钨纳米结构,海胆样W_(18)O_(49)纳米线作为基底材料,以放大底物—分析物分子的相互作用,导致拉曼光谱特征的显著放大~([1])。丰富的表面氧空位可以带来额外的增强。据我们所知,在半导体材料中,甚至与没有"热点"的贵金属相比,其灵敏度最高。表面增强拉曼散射(SERS)效应是一种表面敏感的技术,其特征在于对于吸附在诸如粗金属的特定表面上的分子的拉曼强度增加的数量级,相对于相同数量的非金属吸附分子在溶液或气相中。     

(Au-Probe)@SiO_2单层纳米粒子膜制备及表面增强拉曼光谱研究

表面增强拉曼光谱(SERS)因其高达单分子检测的表面灵敏度而广受青睐,其增强机理主要包括电磁场增强效应(EM)和电荷转移增强(CT)。通常,前者占主导作用,且局域电磁场可极大地增强表面吸附分子的拉曼信号。而介质通常对局域电磁场和EM增强有一定影响,从而影响SERS检测,通过壳层隔绝纳米粒子(SHINs)可避免介质与SERS增强源间的直接接触。但迄今为止,几乎未见有关介质对其增强拉曼光谱(SHINERS)影响的研究,主要因SERS基底均匀性较差所致。制备了两种探针分子内嵌且Au核尺寸不同的核壳纳米粒子,即(55 nm Au-PNTP)@SiO_2和(110 nm Au-pMBA)@SiO_2,壳层厚度分别为3.5和4.0 nm,壳层结构连续且无针孔效应。采用液-液两相成膜法制备其单层膜,转移至固相基底上可作为SERS基底,(55 nm Au-PNTP)@SiO_2单层膜上SERS谱峰强度的相对标准偏差约为5.38%,(110 nm Au-pMBA)@SiO_2单层膜上相对标准偏差约为5.97%,其重现性及均匀性优良,符合作为SERS基底的要求。研究它们分别在空气和水两种介质中的SERS效应,结果表明Au核被致密无针孔效应的SiO_2壳层包裹,且探针分子内嵌其中,由此完全隔绝了电磁场增强源内核Au纳米粒子与介质的直接接触,当改变基底所处的环境时,其实际介质仍为SiO_2,因此在两种介质中SERS信号几乎不发生改变。内嵌探针分子的PNTP或pMBA被包裹在SiO_2壳层内,溶剂及氧气等均无法参与反应,因此探针分子未发生SPR催化反应,保持稳定的光谱特征。由此可见内嵌探针分子的SERS信号强度及光谱特征不受介质的影响,可望作为多介质环境使用的高灵敏度SERS检测以及稳定内标或标记的重要基底。     

Au纳米粒子二聚体的合成及SERS光谱研究

热点的构建及研究是将表面增强拉曼光谱(SERS)拓展至定量研究的基础。该研究基于Glaser偶联反应及原位聚合原理,以4-乙炔基苯胺为连接分子,通过调节连接分子与纳米粒子的比例,构建了功能型Au纳米粒子二聚体结构,获得了该结构形成过程中的光谱信息。该法是较为理想制备二聚体的途径之一。     

高温退火优化h-BN/Ag/Ag2O异质结构型及表面增强拉曼散射性能研究

由等离激元金属和半导体结合形成的金属/半导体异质结构型有利于光诱导电荷转移(PICT)效率的提高,在表面增强拉曼散射(SERS)研究中具有明显优势.本文通过对所制备的杂化底物进行热退火处理进一步提高了其SERS活性.首先,在二维六方氮化硼(h-BN)纳米片表面成功负载生长了高密度和单分散的Ag/Ag₂O纳米颗粒.在此基础上,通过进一步高温退火处理所得复合体系,构建出高效的电荷转移通道,从而大幅度提高了PICT效率,使化学增强得到显著提高.实验结果表明,相比于退火前,经320℃高温退火处理所得到的h-BN/Ag/Ag₂O复合材料作为基底,可以使结晶紫分子的SERS信号强度显著增强18倍,增强因子高达1.63145×10⁷.最后,基于h-BN/Ag/Ag₂O 320℃退火复合材料优异的SERS性能,实现了对食品添加剂专利蓝V的超灵敏SERS检测,其检测极限低至10^–12 M.本文构建的h-BN/Ag/Ag₂O 320℃退火复合材料兼具物理增强和化学增强,在食品...     

Au/TiO_2薄膜的光催化与表面增强拉曼散射性能研究

采用浸渍提拉法将预先合成的TiO2溶胶均匀涂覆在玻璃表面制膜,并在膜表面负载上具有高表面增强拉曼散射(SERS)活性的Au纳米粒子,获得Au/TiO2多功能薄膜。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)、拉曼(Raman)等表征手段,考察了Au/TiO2薄膜的结构、形貌与性能。所得Au/TiO2薄膜在UV灯辐照下可有效地降解罗丹明B等染料分子,其中Au粒子有效抑制了薄膜表面光生电子-空穴的复合,增强了光生载流子的分离效率,提高了薄膜的光催化性能。同时拉曼实验表明,Au/TiO2薄膜也是一种优秀的SERS检测基底。更为重要的是,Au/TiO2薄膜可通过UV灯照射"清洗"掉薄膜表面吸附的上组SERS实验中的检测分子,实现基底的循环利用,有望解决传统SERS基底一次性使用的缺陷。     

Au-TiO_2纳米复合基底的制备及其SERS研究

通过溶胶-水热法合成TiO_2纳米粒子,然后采用光催化还原法通过改变氯金酸(HAuCl4)水溶液浓度和光照时间等参数制备不同量Au沉积的TiO_2(Au-TiO_2)纳米复合体,并以其作为SERS活性基底对吸附在其表面的探针分子(4-MBA)进行SERS研究。与纳米TiO_2上本征的SERS增强相比,适量的Au沉积导致复合基底对4-MBA分子具有更强的SERS增强效应,4-MBA的SERS信号增强来源于贵金属和半导体的共同作用;制备复合基底的光还原时间和氯金酸的浓度对复合基底的SERS增强效应均具有重要的影响。     

MnCo_2O_4@Au纳米纤维类氧化物酶的SERS活性及应用

近年来MnCo_2O_4材料由于其优异的催化活性和导电性在超级电容器、锂离子电池、CO_2还原燃料电池等方面被广泛应用。MnCo_2O_4表面富含氧化态的Mn~(2+)/Mn~(3+)和Co_~(2+)/Co~(3+)使其成为较好的类氧化物酶基底的电子传输介质~([1])。表面增强拉曼光谱技术是一种超灵敏的分子检测手段,类氧化物酶材料与贵金属复合,可以构筑一种氧化物酶与SERS协同增强活性的基底材料,以SERS技术来研究类氧化物酶催化分子反应的过程~([2])。这里,我们通过MnCo_2O_4与贵金属Au复合,由于MnCo_2O_4和Au纳米粒子之间的协同作用,MnCo_2O_4@Au纳米纤维复合材料比单独MnCo_2O_4和Au展现出更好的SERS活性及很好的类氧化物酶活性,进一步这种材料还可以检测有害的重金属离子。这种MnCo_2O_4@Au纳米类氧化物酶复合材料SERS基底在生物传感器、环境保护和食品安全方面具有广阔的应用前景。     

金溶胶中邻羟基苯甲酸吸附行为的密度泛函理论与实验研究

研究了邻羟基苯甲酸(OHBA)的常规拉曼散射(NRS)光谱以及其吸附在Au纳米颗粒上的表面增强拉曼散射(SERS)光谱。以氯金酸为原料,柠檬酸三钠为还原剂,用化学还原法制备了球形的金纳米粒子溶胶,采用激光显微拉曼光谱仪(激发波长为785 nm),测定OHBA分子的NRS光谱及其吸附在Au纳米颗粒上的SERS光谱。同时,应用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/6-31+G**(C,H,O)/LANL2DZ(Au)水平上,对OHBA分子进行了结构优化,在此基础上计算了OHBA分子的NRS光谱以及其吸附在Au纳米颗粒上两种不同吸附构型下的SERS光谱,并和实验值进行比较。结果表明,OHBA分子通过羧基吸附构型的计算值比通过羟基吸附构型的计算值与实验值符合的更好。最后,利用GaussView可视化软件对其振动模式进行了全面归属。通过对邻羟基苯甲酸分子拉曼谱峰的详细指认能够得出：Au溶胶中的邻羟基苯甲酸分子,是通过羧基倾斜地吸附在Au纳米颗粒表面的。可视化软件直观形象地展示出了该分子的结构特征和分子基团振动情况,对其振动峰位的归属提供了重要依据。本文工作对推进邻羟基苯甲酸在生物医药等领域进一步的应用具有重要作用。     

维生素K3的表面增强拉曼光谱研究

首次报道了维生素K3 (VK3 )分子的常规拉曼光谱 (NRS)及该分子在活性衬底银镜上的表面增强拉曼散射 (SERS) ,并对它的拉曼特征谱带进行了初步的指认和归属。通过对比VK3 的常规拉曼光谱和SERS谱 ,发现VK3 分子吸附在银表面后拉曼散射强度被大大增强了。另外 ,VK3 的羰基与银粒子发生电荷转移后形成负离子自由基 ,碳氧双键打开。受VK3 分子吸附在银镜表面的影响 ,萘环结构发生了很大的扰动 ,导致一些拉曼特征峰产生位移 ,环变形振动对应的拉曼散射强度得到了增强。这些研究结果为SERS技术今后对VK3进行药物检测以及痕量分析方面的应用提供了依据。     

银纳米粒子与R6G分子间的电荷转移

本文通过吸收光谱、表面增强垃曼光谱、荧光光谱等手段研究了银纳米粒子与罗丹明6G（R6G）分子之间的相互作用,结果表明：银纳米粒子表面与R6G分子之间存在电荷转移效应。表现为吸收谱长波方向出现银粒子－R6G复合体的吸收带,R6G分子的拉曼振动模得到显著增强,而其荧光得到明显猝灭;AgN特征拉曼振动带的出现服银米粒子与R6G分子是通过银粒表面的活位与R6G分子中的氮原子配位形成复合体而发生电荷转移的。     

Ag核Au壳复合纳米粒子为标记溶胶免疫检测的SERS研究

以种子生长法合成Ag核Au壳复合纳米粒子,苯硫酚分子(TP)在其表面的SERS增强随Au摩尔比例的增加呈现先增强后减弱的趋势,其最大增强为相应Ag纳米粒子的10倍。将标记分子TP,羊抗小鼠抗体固定在Ag核Au壳复合纳米粒子表面形成标记免疫溶胶,其与被基底捕获抗原分子发生免疫识别,通过TP分子的SERS信号进行免疫检测。