基于金银合金的新型SERS纳米探针用于生物医学检测研究
发布时间：2021-04-13 04:19
表面增强拉曼散射光谱（SERS）不仅可提供分子的振动信息,而且由于其窄散射峰适用于多重分析,已广泛应用于生物医学成像、生物传感及疾病诊断中。特别是近年来,胶体等离子体贵金属纳米材料的发展,使SERS技术在复杂生物体系分析检测中的应用受到了越来越多的关注。然而,现有SERS检测方法在生物医学成像和生物传感方面仍面临许多挑战。首先,常规SERS基底一般由金或银纳米材料制成,金纳米材料的SERS增强效果不够理想,虽然银纳米材料的SERS增强效果比较好,但其化学稳定性差、生物毒性大。其次,常用于生物体系检测的拉曼报告分子在指纹区域(<1800 cm-1)具有多个拉曼峰,这些拉曼峰容易与内源性物质的拉曼峰重叠,会严重影响分析检测的准确度。另外,现有SERS检测方法通常更关注单一目标物的检测,很少有研究致力于开发便捷可靠的SERS传感阵列以用于多种疾病标志物的同时分析检测。本论文以SERS技术作为主要分析手段,首先制备了具有优良SERS增强性能的金银合金纳米颗粒,再结合细胞静默区拉曼报告分子以及传感阵列策略,构建了一系列用于生物医学成像及疾病标志物检测的SERS传感新方...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
瑞利散射和拉曼散射过程示意图[5]
基于金银合金的新型SERS纳米探针用于生物医学检测研究-4-纳米颗粒称为等离子体纳米粒子（PNP），通常是Ag、Au和Cu纳米颗粒，这是由于这些金属在可见到近红外区域表现出强烈的SPR效应。LSPR将导致入射光发生共振吸收或散射，从而使入射光有效地耦合到金属纳米颗粒中，使纳米颗粒表面的局部电磁场强度产生2-5个数量级的增强，这是SERS强度获得巨大增强的关键原因[19]。图1.2(a)拉曼散射；(b)局域表面等离子体共振（LSPR）；(c)SERS的电磁增强机制示意图[19]。待测分子吸附到等离子体材料表面时，分子与基底产生强电磁场相互作用，拉曼散射过程显著增强，产生SERS过程。如图1.2c所示，SERS过程可以通过两步增强过程理解[19]。第一步来自PNP周围（如接收光学天线）的局部增强：Eloc(λex)=G1E0，其中G1是λex的近场电磁场的增强因子，E0是λex的激发光。在第二步中，PNP作为传输光学天线以将拉曼信号从近场转移到远场，并且拉曼发射波长为λem时满足：Eloc(λem)=G2E0，拉曼信号与增强局域电场正相关。因此，SERS整体增强取决于“激发”和“发射”场：GSERS∝[Eloc(λex)/E0]2[Eloc(λem)/E0]2=G12G22。最佳SERS增强需要激发、发射波长与金属纳米结构的等离子体峰三者之间的微妙平衡。当入射光和斯托克斯拉曼散射信号的波长彼此接近时，G1等于G2，并且SERS增强因子大约与局部电场增强的四次方成比例。局部电场的强度取决于分子与金属表面的距离（r），公式E(r)∝(1+r/a)-3（见图1.3a），SERS增强与r的关系大致符合公式(1+r/a)-12；其中a为纳米颗粒的半径。这表明SERS强度会随着距离的增加而显著降低（见图1.3b）[20,21]。因此，只有将分子固定在具有最高增强的基底表面，才能在SERS测量中实现最高灵敏度。将分子固定到基底表面上的策略?
博士学位论文-5-普遍，基于非共价键，包括氢键，离子键，范德华力和疏水相互作用，在主体（如环糊精，杯芳烃和葫芦脲）和客体（分析物）分子中实现分子识别[23-25]。例如，氢化安息香由于对Ag表面具有较弱亲和性而难以检测，可通过在Ag表面上修饰环糊精，实现对氢化安息香的成功检测。（3）生物分子识别，如抗体-抗原，核酸双链，适体-靶分子等[26-28]。图1.3（a）AuNP电场分布的时域有限差分(FDTD)模拟；（b）SERS增强与AuNP表面距离的关系[20]。从图1.3b中可以看出，当分析物位于PNP表面临近位置（小于5nm），虽然没有了PNP电磁场的最高增强，但仍然具有一些增强作用（图1.3）。换言之，不与PNP表面直接接触的分子的拉曼信号也可以得到增强，该现象被称为长程效应，被用于开发壳层隔离的纳米颗粒增强拉曼光谱（SHINERS）方法。这种壳层隔离纳米颗粒，通常以惰性二氧化硅或氧化铝为壳，以AuNPs或AgNPs为核。SHINERS已成功应用于SERS生物分析中细菌上的膜蛋白和活细胞膜上多糖的研究[29,30]。最近，二氧化硅包覆的PNP应用到了蛋白质冠的研究中[31]。1.2.2.2化学增强机制EM机制在总SERS增强中起了主要作用，而且电磁场增强对于吸附在纳米粒子表面的所有分子的拉曼信号的放大是没有选择性的，它是基底的固有电磁特性，与分析物无关。然而，实验观察到，CO分子和N2分子虽然具有相同拉曼散射截面，但是在使用同一SERS基底时，两者的SERS光谱信号强度相差近200倍。仅通过电磁场理论，很难对该现象做出合理的解释。因此，引入了分子与金属和电磁场的同时相互作用，提出了CE机制，这种相互作用会对SERS增强可起到额外的贡献。化学增强机制涉及化学键结合，电荷转移，分子极化率增加等过程，突出分子与金属之间形成化学键。在CE机制中，最具有
本文编号：3134602
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
瑞利散射和拉曼散射过程示意图[5]
基于金银合金的新型SERS纳米探针用于生物医学检测研究-4-纳米颗粒称为等离子体纳米粒子（PNP），通常是Ag、Au和Cu纳米颗粒，这是由于这些金属在可见到近红外区域表现出强烈的SPR效应。LSPR将导致入射光发生共振吸收或散射，从而使入射光有效地耦合到金属纳米颗粒中，使纳米颗粒表面的局部电磁场强度产生2-5个数量级的增强，这是SERS强度获得巨大增强的关键原因[19]。图1.2(a)拉曼散射；(b)局域表面等离子体共振（LSPR）；(c)SERS的电磁增强机制示意图[19]。待测分子吸附到等离子体材料表面时，分子与基底产生强电磁场相互作用，拉曼散射过程显著增强，产生SERS过程。如图1.2c所示，SERS过程可以通过两步增强过程理解[19]。第一步来自PNP周围（如接收光学天线）的局部增强：Eloc(λex)=G1E0，其中G1是λex的近场电磁场的增强因子，E0是λex的激发光。在第二步中，PNP作为传输光学天线以将拉曼信号从近场转移到远场，并且拉曼发射波长为λem时满足：Eloc(λem)=G2E0，拉曼信号与增强局域电场正相关。因此，SERS整体增强取决于“激发”和“发射”场：GSERS∝[Eloc(λex)/E0]2[Eloc(λem)/E0]2=G12G22。最佳SERS增强需要激发、发射波长与金属纳米结构的等离子体峰三者之间的微妙平衡。当入射光和斯托克斯拉曼散射信号的波长彼此接近时，G1等于G2，并且SERS增强因子大约与局部电场增强的四次方成比例。局部电场的强度取决于分子与金属表面的距离（r），公式E(r)∝(1+r/a)-3（见图1.3a），SERS增强与r的关系大致符合公式(1+r/a)-12；其中a为纳米颗粒的半径。这表明SERS强度会随着距离的增加而显著降低（见图1.3b）[20,21]。因此，只有将分子固定在具有最高增强的基底表面，才能在SERS测量中实现最高灵敏度。将分子固定到基底表面上的策略?
博士学位论文-5-普遍，基于非共价键，包括氢键，离子键，范德华力和疏水相互作用，在主体（如环糊精，杯芳烃和葫芦脲）和客体（分析物）分子中实现分子识别[23-25]。例如，氢化安息香由于对Ag表面具有较弱亲和性而难以检测，可通过在Ag表面上修饰环糊精，实现对氢化安息香的成功检测。（3）生物分子识别，如抗体-抗原，核酸双链，适体-靶分子等[26-28]。图1.3（a）AuNP电场分布的时域有限差分(FDTD)模拟；（b）SERS增强与AuNP表面距离的关系[20]。从图1.3b中可以看出，当分析物位于PNP表面临近位置（小于5nm），虽然没有了PNP电磁场的最高增强，但仍然具有一些增强作用（图1.3）。换言之，不与PNP表面直接接触的分子的拉曼信号也可以得到增强，该现象被称为长程效应，被用于开发壳层隔离的纳米颗粒增强拉曼光谱（SHINERS）方法。这种壳层隔离纳米颗粒，通常以惰性二氧化硅或氧化铝为壳，以AuNPs或AgNPs为核。SHINERS已成功应用于SERS生物分析中细菌上的膜蛋白和活细胞膜上多糖的研究[29,30]。最近，二氧化硅包覆的PNP应用到了蛋白质冠的研究中[31]。1.2.2.2化学增强机制EM机制在总SERS增强中起了主要作用，而且电磁场增强对于吸附在纳米粒子表面的所有分子的拉曼信号的放大是没有选择性的，它是基底的固有电磁特性，与分析物无关。然而，实验观察到，CO分子和N2分子虽然具有相同拉曼散射截面，但是在使用同一SERS基底时，两者的SERS光谱信号强度相差近200倍。仅通过电磁场理论，很难对该现象做出合理的解释。因此，引入了分子与金属和电磁场的同时相互作用，提出了CE机制，这种相互作用会对SERS增强可起到额外的贡献。化学增强机制涉及化学键结合，电荷转移，分子极化率增加等过程，突出分子与金属之间形成化学键。在CE机制中，最具有
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