表面增強拉曼散射光譜（SERS）不僅可提供分子的振動信息,而且由于其窄散射峰適用于多重分析,已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像、生物傳感及疾病診斷中。特別是近年來,膠體等離子體貴金屬納米材料的發(fā)展,使SERS技術(shù)在復(fù)雜生物體系分析檢測中的應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。然而,現(xiàn)有SERS檢測方法在生物醫(yī)學(xué)成像和生物傳感方面仍面臨許多挑戰(zhàn)。首先,常規(guī)SERS基底一般由金或銀納米材料制成,金納米材料的SERS增強效果不夠理想,雖然銀納米材料的SERS增強效果比較好,但其化學(xué)穩(wěn)定性差、生物毒性大。其次,常用于生物體系檢測的拉曼報告分子在指紋區(qū)域(<1800 cm^-1)具有多個拉曼峰,這些拉曼峰容易與內(nèi)源性物質(zhì)的拉曼峰重疊,會嚴(yán)重影響分析檢測的準(zhǔn)確度。另外,現(xiàn)有SERS檢測方法通常更關(guān)注單一目標(biāo)物的檢測,很少有研究致力于開發(fā)便捷可靠的SERS傳感陣列以用于多種疾病標(biāo)志物的同時分析檢測。本論文以SERS技術(shù)作為主要分析手段,首先制備了具有優(yōu)良SERS增強性能的金銀合金納米顆粒,再結(jié)合細(xì)胞靜默區(qū)拉曼報告分子以及傳感陣列策略,構(gòu)建了一系列用于生物醫(yī)學(xué)成像及疾病標(biāo)志物檢測的SERS傳感新方... 

【文章來源】：湖南大學(xué)湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：146 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

瑞利散射和拉曼散射過程示意圖[5]

基于金銀合金的新型SERS納米探針用于生物醫(yī)學(xué)檢測研究-4-納米顆粒稱為等離子體納米粒子（PNP），通常是Ag、Au和Cu納米顆粒，這是由于這些金屬在可見到近紅外區(qū)域表現(xiàn)出強烈的SPR效應(yīng)。LSPR將導(dǎo)致入射光發(fā)生共振吸收或散射，從而使入射光有效地耦合到金屬納米顆粒中，使納米顆粒表面的局部電磁場強度產(chǎn)生2-5個數(shù)量級的增強，這是SERS強度獲得巨大增強的關(guān)鍵原因[19]。圖1.2(a)拉曼散射；(b)局域表面等離子體共振（LSPR）；(c)SERS的電磁增強機(jī)制示意圖[19]。待測分子吸附到等離子體材料表面時，分子與基底產(chǎn)生強電磁場相互作用，拉曼散射過程顯著增強，產(chǎn)生SERS過程。如圖1.2c所示，SERS過程可以通過兩步增強過程理解[19]。第一步來自PNP周圍（如接收光學(xué)天線）的局部增強：Eloc(λex)=G1E0，其中G1是λex的近場電磁場的增強因子，E0是λex的激發(fā)光。在第二步中，PNP作為傳輸光學(xué)天線以將拉曼信號從近場轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)場，并且拉曼發(fā)射波長為λem時滿足：Eloc(λem)=G2E0，拉曼信號與增強局域電場正相關(guān)。因此，SERS整體增強取決于“激發(fā)”和“發(fā)射”場：GSERS∝[Eloc(λex)/E0]2[Eloc(λem)/E0]2=G12G22。最佳SERS增強需要激發(fā)、發(fā)射波長與金屬納米結(jié)構(gòu)的等離子體峰三者之間的微妙平衡。當(dāng)入射光和斯托克斯拉曼散射信號的波長彼此接近時，G1等于G2，并且SERS增強因子大約與局部電場增強的四次方成比例。局部電場的強度取決于分子與金屬表面的距離（r），公式E(r)∝(1+r/a)-3（見圖1.3a），SERS增強與r的關(guān)系大致符合公式(1+r/a)-12；其中a為納米顆粒的半徑。這表明SERS強度會隨著距離的增加而顯著降低（見圖1.3b）[20,21]。因此，只有將分子固定在具有最高增強的基底表面，才能在SERS測量中實現(xiàn)最高靈敏度。將分子固定到基底表面上的策略?

博士學(xué)位論文-5-普遍，基于非共價鍵，包括氫鍵，離子鍵，范德華力和疏水相互作用，在主體（如環(huán)糊精，杯芳烴和葫蘆脲）和客體（分析物）分子中實現(xiàn)分子識別[23-25]。例如，氫化安息香由于對Ag表面具有較弱親和性而難以檢測，可通過在Ag表面上修飾環(huán)糊精，實現(xiàn)對氫化安息香的成功檢測。（3）生物分子識別，如抗體-抗原，核酸雙鏈，適體-靶分子等[26-28]。圖1.3（a）AuNP電場分布的時域有限差分(FDTD)模擬；（b）SERS增強與AuNP表面距離的關(guān)系[20]。從圖1.3b中可以看出，當(dāng)分析物位于PNP表面臨近位置（小于5nm），雖然沒有了PNP電磁場的最高增強，但仍然具有一些增強作用（圖1.3）。換言之，不與PNP表面直接接觸的分子的拉曼信號也可以得到增強，該現(xiàn)象被稱為長程效應(yīng)，被用于開發(fā)殼層隔離的納米顆粒增強拉曼光譜（SHINERS）方法。這種殼層隔離納米顆粒，通常以惰性二氧化硅或氧化鋁為殼，以AuNPs或AgNPs為核。SHINERS已成功應(yīng)用于SERS生物分析中細(xì)菌上的膜蛋白和活細(xì)胞膜上多糖的研究[29,30]。最近，二氧化硅包覆的PNP應(yīng)用到了蛋白質(zhì)冠的研究中[31]。1.2.2.2化學(xué)增強機(jī)制EM機(jī)制在總SERS增強中起了主要作用，而且電磁場增強對于吸附在納米粒子表面的所有分子的拉曼信號的放大是沒有選擇性的，它是基底的固有電磁特性，與分析物無關(guān)。然而，實驗觀察到，CO分子和N2分子雖然具有相同拉曼散射截面，但是在使用同一SERS基底時，兩者的SERS光譜信號強度相差近200倍。僅通過電磁場理論，很難對該現(xiàn)象做出合理的解釋。因此，引入了分子與金屬和電磁場的同時相互作用，提出了CE機(jī)制，這種相互作用會對SERS增強可起到額外的貢獻(xiàn)。化學(xué)增強機(jī)制涉及化學(xué)鍵結(jié)合，電荷轉(zhuǎn)移，分子極化率增加等過程，突出分子與金屬之間形成化學(xué)鍵。在CE機(jī)制中，最具有


本文編號：3134602