表面增强拉曼光谱技术检测新型冠状病毒刺突蛋白

开发具有高灵敏度、高准确性的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)快速检测技术对疫情防控具有重要作用。本文利用表面增强拉曼光谱(SERS)技术对人体唾液中的痕量SARS-CoV-2病毒刺突蛋白(S蛋白)进行了检测。结果表明,含S蛋白的唾液样本与原始唾液样本的拉曼光谱具有显著区别,含S蛋白的唾液样本谱图中可清晰观察到属于S蛋白的拉曼谱线。该结果为后续SERS技术在SARS-CoV-2病毒快速检测方面的应用奠定了坚实基础。     

表面增强拉曼光谱(SERS)及其在定量测量中的研究进展

表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman spectroscopy,SERS)具有极高的灵敏度,是一种强大的检测低浓度分析物的痕量分析技术,甚至可以实现单分子检测。因此,在化学、生物、环境等领域都是非常重要的分析手段。但是,由于SERS信号的重现性不高,尚未成为常规的定量分析技术。本文阐述了SERS的基本原理,总结了应用SERS实现定量检测的研究成果,评述了SERS的定量检测在环境、生物医药、食品卫生等方面的应用,并提出了展望和亟待解决的问题。     

薄层色谱与表面增强拉曼散射光谱联用技术的研究进展

表面增强拉曼光谱（SERS）作为一种快速、灵敏的分析技术,被广泛应用于分析化学、环境检测及食品安全等领域。在实际生活中的样品大多为混合物,直接使用SERS技术无法对复杂样品中的分析物进行准确测定。薄层色谱（TLC）分离技术具有操作简便,成本低廉及分离速度快等特点,TLC作为一种高通量的分离技术在合成化学、分析化学、药物化学及食品科学等研究领域得到了广泛的应用。TLC对待测物体系进行分离后,通过碘显色或荧光对分离的斑点进行可视化处理,再结合质谱,红外光谱、荧光光谱及SERS光谱等分析技术可以对分离物质进行定性及定量分析。TLC与SERS联用技术的出现,使得SERS光谱可以应用于混合物中分析物的有效测定。TLC-SERS技术同时具备良好的分离作用和灵敏的光谱检测性能,适用于对复杂样品进行分离检测。在TLC-SERS检测过程中,样品用量少且无需使用复杂的实验设备即可实现对混合物现场快速检测。介绍了SERS的增强机理以及活性基底的制备,对TLC-SERS技术在环境污染物检测、食品安全、中草药鉴定及生物医学等方面的应用做了概括性综述。给出了TLC-SERS技术在有害物快检领域的应用实例,为TLC-SERS技术未来用于食品安全、法医鉴定及环境治理中快速检测方法建立及仪器设备研发提供参考。     

表面增强拉曼光谱在食源性致病微生物检测中的应用研究

食源性致病微生物导致的食源性疾病已成为全球化的公共卫生问题。快速、有效地检测食源性致病微生物是实现食源性疾病预防与控制的关键环节，也是保障食品安全的技术关键。表面增强拉曼光谱(SERS)具有简单、快速、灵敏度高等优点，在食品安全、生物医学、环境监控等领域展现出良好的应用前景。介绍了近年来SERS在食源性致病微生物检测中的应用研究进展。对SERS技术概况、SERS增强理论及SERS增强基底进行了简要介绍，重点回顾了SERS在食源性致病微生物检测中的应用和发展现状。在食品安全分析方面，利用SERS与模式识别方法相结合对食品中常见食源性致病微生物能实现快速、有效鉴别，部分研究已应用于不同食品样品的分析，体现了SERS作为“指纹图谱”的分析优势；在医学诊断方面，SERS可对病理样品(如血液、尿液等)中食源性致病微生物进行快速检测，缩短了样本分析时间，使食源性疾病的快速诊断成为可能；随着微流控技术的发展，微流控平台结合SERS技术被称为“芯片实验室”应用于食源性致病微生物的检测，可提高分析的可控性，稳定性，特异性和灵敏度。通过对比分析，发现不同研究可采用不同分离方法、不同基底、不同目标捕获方式等实现了食源性致病微生物的检测，展示了不同方法间的差异性。已有研究表明了SERS在食源性致病微生物检测中应用可克服传统方法耗时等缺点，实现灵敏快速分析，为食品安全实时监控，食源性疾病即时诊断提供了有效的分析工具。同时，指出了SERS技术应用于食源性致病微生物分析依然面临很大挑战，(1)大多数研究并没有聚焦于实际样品，而标准培养液和实际样品的SERS检测存在较大差异，实际样品组分会对SERS响应产生干扰；(2)不同方法结果有较大差异，主要是由于纳米增强基底差异，吸附方式原理的差异，稳定性的差异等，因此需要更多深入研究进一步优化条件；(3)期望建立标准化的SERS方法替代传统技术，充分展示SERS作为新兴分析工具快速、灵敏、简捷的优势应用于食品安全，医学诊断等领域。将来，随着研究的深入及相关学科的发展，SERS作为极具潜力的快速分析工具，将在食品安全，生物医学等领域具有更广阔的应用前景。     

鼻咽癌患者唾液的表面增强拉曼光谱研究

表面增强拉曼光谱(SERS)技术是一种快速、有效、无损的光学诊断方法,能提供生物分子成分和结构的指纹特征。人的唾液包含多种能反应人体健康状况的生物标志物。采用纳米银溶胶为增强基底的SERS技术,从46位鼻咽癌患者、30位鼻炎患者和48位健康人的唾液样本中采集了208条高质量的SERS。研究结果表明鼻咽癌患者、鼻炎患者和健康人的唾液SERS之间存在明显差异。利用主成分分析结合线性判别分析(PCA-LDA)对采集的唾液SERS进行诊断研究,获得灵敏度分别为89.5%,93.0%和100%,特异性分别为94.6%,96.7%和97.7%。研究结果表明：唾液SERS技术结合PCA-LDA分析方法可能快速、有效区分鼻咽癌、鼻炎患者与正常人的唾液样本,具有鼻咽癌无损检测和临床筛查的潜能。     

打印技术制备表面增强拉曼散射活性基底的研究进展

表面增强拉曼散射(SERS)是一种先进的表面分析技术,可以极大提高吸附在金属表面或附近分子的拉曼散射信号。SERS技术由于其快速准确、灵敏度高、选择性好、样品制备要求低等特点,成为当前的研究热点,在化学、食品、生物、医疗等领域展现出重要的应用前景。而利用SERS技术作为一种常规分析和诊断工具面临的一个主要挑战是如何制备均匀、可重复、稳定的活性基底。打印技术操作简单、效率高、成本低,有助于设计等离激元纳米结构。通过优化“热点”增强电磁场,获得重复性好、稳定性高、增强能力强的SERS活性基底。近年来,印刷技术逐渐被应用于SERS基底的制备。主要综述了制备SERS基底的几种常用印刷技术,包括喷墨印刷、凹版印刷、丝网印刷等。分析了衬底表面润湿性、干燥温度、油墨粘度、表面张力、溶剂等因素对SERS性能的影响。总结了印刷技术制备SERS基底的研究进展,并对其潜在应用和未来发展作了展望。     

可循环使用表面增强拉曼散射基底研究进展

表面增强拉曼散射(SERS)技术克服了拉曼光谱灵敏度低的缺点,可以获得常规拉曼光谱不易得到的分子结构信息,成为分子甚至单一分子痕量检测的一个重要手段,在生命科学、分析化学等领域得到了广泛的应用。SERS基底是SERS检测中的核心部件,只有少量特殊处理的贵金属才具有较强SERS效应,同时这些传统SERS基底一般都是一次性使用,这给实际使用造成资源的浪费。在简要介绍SERS光谱发展的基础上,重点介绍了近期在可循环SERS基底的制备和应用作一述评,并对可循环SERS基底的研究和发展做了展望。     

氧化锌/贵金属复合表面增强拉曼散射基底的研究进展

近年来,随着纳米技术的快速发展,表面增强拉曼散射(SERS)技术已广泛应用于物理化学、材料科学、表面科学以及生物科学等领域。基于氧化锌/金属复合SERS基底,因其具有高拉曼增强性能及优异的循环利用性能,正逐渐成为SERS技术的研究热点之一。本文综述了氧化锌复合SERS基底的机制、制备、调控和应用的研究进展,并在基础上分析了相关研究趋势,从而为高性能可循环利用SERS基底的开发与增强机制的研究提供重要参考。     

表面增强拉曼光谱(SERS)技术对非标记蛋白质的研究进展

基于表面增强拉曼光谱(SERS)技术在非标记蛋白质研究方面的最新进展。SERS是一个特殊的拉曼光谱现象,对于众多被吸附到粗糙金属表面上的拉曼活性分析物,可以提供增强拉曼信号(通常可以增强几个数量级)。SERS是一个灵敏的,选择性的,和通用的技术,并且可以实时、快速的对数据进行采集。因此,在基于仪器仪表技术和数据分析方法以及SERS在生物体系中的诸多优势,SERS经历了快速的发展阶段。重点介绍几个采用SERS技术对生物体系的代表性研究。某些SERS的生物应用发展比较成熟,并已经可以小范围临床应用,而有些还停留在发展的初始阶段(实验室研究阶段)。讨论了最近发展起来的几种基于SERS技术定量分析的方法, 选择不同SERS活性基底和技术(如生物分子在电极上,胶体纳米粒子,周期性图案结构和基于针尖拉曼技术)对蛋白质进行直接研究。此外,根据SERS指纹信息的变化可以用来研究蛋白质-蛋白质,蛋白质-配体间的相互作用。基于SERS技术对生物分子进行定性和/或定量分析方面显示出了相当大的优势。     

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。     

苯丙氨酸银溶胶表面增强拉曼光谱的研究

研究了银溶胶与L-苯丙氨酸溶液体系的表面增强拉曼光谱(SERS),增强效果明显,L-苯丙氨酸在银溶胶中的SERS光谱与苯丙氨酸固体常规拉曼光谱相比,主要峰位置基本一致,但某些峰发生了频移,相对强度也发生了一定变化。探讨了三种不同的激发光源对SERS光谱强度的影响。用不同光源测定,其SERS光谱图中各峰位置基本不变,但峰强度有明显变化。在实际工作中应根据需要选择合适的光源,一般情况下以514.42 nm为佳。不同浓度的苯丙氨酸在银溶胶中产生的表面增强拉曼光谱有明显的差别,浓度太大或太小都不利于SERS光谱的产生,溶液浓度在1×10-3mol·L-1时SERS最强,增强效果最好。体系的pH对增强效应亦有较大的影响,在pH为8时增强效应最强,这是pH对银溶胶的凝聚状态和苯丙氨酸分子存在状态综合影响的结果。     

Application of surface‐enhanced Raman scattering in cell analysis

In surface‐enhanced Raman scattering (SERS), the scattered intensity is drastically increased due to a resonant interaction with surface plasmons of coin metals. SERS is a nondestructive spectroscopic method applied also to biomedical samples. It inherits the advantages of normal Raman spectroscopy and at the same time overcomes the inherent low sensitivity problem. These properties endow SERS with exciting opportunities to be a successful analytical tool for cell analysis. SERS can be used to detect only molecules located on or close to the metallic nanostructures which can support surface plasmon resonances for the enhancement of the Raman signals. Therefore, these metallic nanostructures play a key role in the application of SERS in cell analysis. By incorporating the SERS substrates into the biosamples, molecular structural probing and cellular imaging become possible. In the past decade, analysts worldwide have developed many schemes to study the chemical changes and component distribution in cells by using SERS. In this paper, the application of SERS in cell analysis is reviewed. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

表面增强拉曼光谱生物成像技术及其应用

基于表面增强拉曼光谱的成像分析方法具有频带窄,水溶液背景弱,稳定性好,高特异性等优势已成为生物成像领域的优良选择。拉曼成像技术拓展了拉曼光谱的应用范围,使其不再只是检测单点化学成分的手段,而进一步用于对评价区域内化学物质成分、分布及变化进行整体统计和描述。本文探讨了表面增强拉曼散射的原理及增强机制,介绍了基于表面增强拉曼光谱的拉曼成像技术,并对其在无标记成像及带标记成像中的细胞成像、活体成像,特别是其在生物医学方面的应用进行了详细论述,最后讨论了表面增强拉曼光谱生物成像技术存在的问题,展望了该项技术的研究和应用前景。     

铂纳米立方体的合成及其SERS活性研究

本文用氢气还原氯亚铂酸钾,以聚丙烯酸钠作表面活性剂合成了铂纳米立方体,得到的铂纳米立方体的边长约为15nm。将铂纳米立方体组装到玻碳电极表面上可以作为SERS基底。以SCN-作为探针分子,初步研究铂纳米立方体的SERS效应。从铂纳米立方体上得到的SERS信号强度比粗糙的铂电极强,这表明铂纳米立方体具有更高的SERS活性。     

Raman spectroscopy of dipyrrins: nonresonant,resonant and surface‐enhanced cross‐sections and enhancement factors

Detailed studies of the mechanism of surface‐enhanced (resonance) Raman spectroscopy (SE(R)RS), and its applications, place a number of demands on the properties of SERS scatterers. With large Raman cross‐sections, versatile synthetic chemistry and complete lack of fluorescence, free dipyrrins meet these demands but the Raman and SE(R)RS spectroscopy of free dipyrrins is largely unknown. The first study of the Raman spectroscopy of free dipyrrins is therefore presented in this work. The nonresonant Raman, resonant Raman and surface‐enhanced Raman spectra of a typical meso aryl‐substituted‐dipyrrin are reported. Absolute differential cross‐sections are obtained for excitation wavelengths in the near infrared and visible region, in solution phase and for dipyrrin adsorbed on the surface of silver nanoparticles. Raman enhancement factors for SERRS and resonance Raman are calculated from the observed differential cross‐sections. The magnitudes of the resonantly enhanced cross‐sections are similar to those recently reported for strong SERS dyes such as Rhodamine 6G and Crystal Violet. Free dipyrrins offer the advantages of existing SERS dyes but without the drawback of strong fluorescence. Free dipyrrins should therefore find applications in all areas of Raman spectroscopy including fundamental studies of the mechanisms of SERS and bioanalytical and environmental applications. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Surface-enhanced Raman scattering from the individual metallic single-walled carbon nanotubes

A new experimental technique has been presented to investigate the surface-enhanced Raman scattering (SERS) on “individual and untouched” single-walled carbon nanotubes (SWNTs) deposited onto gold or silver film-covered substrate through a direct CVD method. It was found that the radial breathing mode for SERS shows a narrower linewidth than the normal Raman spectroscopy (NRS). Relative to NRS, the SERS spectra also revealed a preferable contribution to some metallic component of the G line. However no obvious difference for D and G′ between SERS and NRS has been revealed, which is different from the previous results on bulk SWNT samples.     

Surface‐enhanced Raman spectroscopy for trace‐level detection of explosives

The detection of explosives and their associated compounds for security screening is an active area of research and a wide variety of detection methods are involved in this very challenging area. Surface‐enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy is one of the most sensitive tools for the detection of molecules adsorbed on nano‐scale roughened metal surface. Moreover, SERS combines high sensitivity with the observation of vibrational spectra of species, giving complete information on the molecular structure of material under study. In this paper, SERS was applied to the detection of very small quantities of explosives adsorbed on industrially made substrates. The spectra were acquired with a compact Raman spectrometer. Usually, a high signal‐to‐noise (S/N) spectrum, suitable for identification of explosive molecules down to few hundreds of picograms, was achieved within 30 s. Our measurements suggest that it is possible to exploit SERS using a practical detection instrument for routine analysis. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Three-dimensional noble-metal nanostructure: A new kind of substrate for sensitive,uniform, and reproducible surface-enhanced Raman scattering

Surface-enhanced Raman spectroscopy(SERS) is a powerful vibrational spectroscopy technique for highly sensitive structural detection of low concentration analyte. The SERS activities largely depend on the topography of the substrate.In this review, we summarize the recent progress in SERS substrate, especially focusing on the three-dimensional(3D)noble-metal substrate with hierarchical nanostructure. Firstly, we introduce the background and general mechanism of3 D hierarchical SERS nanostructures. Then, a systematic overview on the fabrication, growth mechanism, and SERS property of various noble-metal substrates with 3D hierarchical nanostructures is presented. Finally, the applications of 3D hierarchical nanostructures as SERS substrates in many fields are discussed.     

具有双共振吸收峰的Au纳米粒子制备及其拉曼表征

表面增强拉曼散射(SERS)很大程度的弥补了拉曼散射强度弱的缺点,迅速成为科研工作者们的研究热点,在食品安全、环境污染、毒品以及爆炸物检测等领域应用广泛。纳米技术的发展使得目前对于SERS的研究主要集中于金属纳米颗粒基底的制备,金属纳米粒子的种类、尺寸及形貌对SERS增强和吸收峰峰位均有影响,要获得好的增强效果,需要对金属纳米结构进行工艺优化。特别是,需要结合金属纳米粒子的结构和激励光波长,以期获得更好的增强效果。为了研究SERS增强和吸收峰之间的关系,开展了具有双共振吸收峰的金属纳米粒子的研究。首先利用FDTD Solutions仿真建模,主要针对金纳米颗粒直径、金纳米棒长径比及分布状态对共振吸收峰进行仿真,得到金纳米球理论直径在50 nm左右,金纳米棒理论长径比在3.5~4.5左右时,吸收峰分别分布在532及785 nm附近,符合多波段激励光拉曼增强条件;对于激励光偏振方向,其沿金纳米棒长轴方向偏振时吸收峰位于785 nm附近,沿金纳米球短轴方向偏振时吸收峰位于532 nm附近。然后采用种子生长法,制备了可用于多种波长激励光的双吸收峰表面增强拉曼散射基底。通过改变硝酸银用量(5,10,20,30和40 μL)、盐酸用量(0.1和0.2 mL)以及其生长时间(15,17,21和23 h)等多种工艺参数来控制金纳米棒含量,得到了同时含有金纳米球及金纳米棒的双吸收共振峰金纳米粒子。最后用该样品作为基底,罗丹明6G(R6G)作为探针分子,分别测试其在532,633和785 nm激励光入射时的SERS表征,对分析物R6G最低检测浓度均达到了10-7 mol·L-1,增强因子达到了~105,满足了多波段SERS检测的需要。