微流控SERS及其在生物医学应用的研究进展

微流控芯片以其对微量样品的精确操控能力而引起特别关注,表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种超灵敏的光谱检测技术近年来在痕量检测上应用广泛。微流控芯片与SERS相结合的系统可对微量生物样品进行无损、快速、高灵敏度且高通量的检测分析,在生物医学领域有巨大的应用潜力,是当前的研究热点之一。本文介绍了微流控SERS系统近年的发展情况,包括微流控芯片的制作加工和流体操控,以及微流控芯片中SERS基底的集成;并重点介绍了近年来SERS微流控芯片系统在生物医学上的应用,如生物分子的检测、细胞分析、药物监测和筛选、疾病诊断,以及在环境和食品健康安全方面的检测应用。     

银纳米粒子的SERS效应和SEF效应在微流控芯片光学检测中的应用

银纳米离子的SERS技术和SEF技术的信号检测灵敏度非常高,可以用在微流控芯片的定量分析中。为了提高微流控芯片光学检测技术的检测精度,提出一种在微通道中添加银纳米粒子来增强SYBR GreenⅠ拉曼和荧光信号的方法,并对该方法的原理和增强效果进行了研究。首先,利用准分子激光器在PMMA基板上直写刻蚀出宽200 μm、深68 μm的微通道,接着将制备的银前体溶液加入微通道,通过加热制备出表面增强拉曼（SERS）和表面增强荧光（SEF）基板,接下来对添加银纳米粒子前后的拉曼和荧光信号分别进行对比,进一步研究了微通道中不同浓度银纳米粒子对SYBR GREEN I的拉曼和荧光信号增强效果。添加银纳米粒子后,表面增强拉曼（SERS）实验的增强因子为3.5×10³,添加银纳米粒子的样品的荧光信号强度与不含银纳米粒子样品的荧光信号强度相比,约增加了1倍。结果表明,在微通道中检测SYBR Green I时通过增加银纳米粒子显著地增强了拉曼和荧光信号,这种方法可以用在以SYBR GreenⅠ做染料的微流控芯片检测技术中。     

微流控SERS芯片及其生物传感应用

由于微流控芯片具有优异的集成性和灵活的可操作性,基于芯片上的检测方法被大量开发,发展十分迅速。其中,表面增强拉曼光谱（SERS）凭借其超高的灵敏度、独一无二的指纹谱和窄峰宽等特点成为一种广泛采用的检测手段。SERS微流控芯片集SERS检测技术与微流控芯片的优势于一体,一方面为SERS检测方法的重复性和可靠性提供了一个高效平台,另一方面推动了微流控芯片的功能拓展,在生物分子探测、细胞捕获乃至组织模拟等领域具有广阔的应用前景。本文在简要介绍SERS的原理及其生物传感应用的基础上,重点概述了SERS微流控芯片的构建及其在生物传感及检测中的应用,最后探讨了该研究方向存在的问题及发展方向。     

农药残留检测中表面增强拉曼光谱的研究进展

农药直接污染环境和食物,最终被人体吸收。其残留物具有高毒性,对人体健康造成严重影响。色谱法、气液色谱串联质谱法等在农药残留检测中应用较为广泛,但存在预处理步骤复杂、费时耗力等缺点。表面增强拉曼光谱（SERS）技术因具备灵敏度高、特异性好、提供全面指纹信息且对样品无损等优点被视为一种新型农残检测方法,可通过简单提取实现液体或固体样品中痕量农药残留的高效检测。在这篇综述中,主要从SERS的增强基底制备、检测方法以及光谱智能解析三个方面对农药残留SERS检测技术及方法的研究进展进行综述,以期为农药残留检测方法提供新的参考。首先,针对SERS增强基底制备,单一的贵金属溶胶纳米颗粒因其“热点”随机、不可控等因素导致稳定性和灵敏性较差,已不能满足痕量农药残留检测。为提高SERS基底的吸附能力使待测物在其表面富集且信号不发生显著变化,对单一贵金属溶胶纳米颗粒进行组装,或加入化学物质、惰性材料等进行修饰制备均一性高的SERS复合基底,保证SERS信号有良好的重现性和灵敏性。其次,为了实现特异性和高灵敏检测,SERS检测方法不再只以单纯的金、银纳米颗粒作为增强基底,而是逐渐趋向于优化样本前处理技术、化学修饰法制备特异性SERS探针、基底物理结构突破以及动态SERS（D-SERS）检测等方向发展。在获得物质的拉曼光谱后,有效拉曼特征区通常在较短的波数范围内,而光谱数据高达上千维,冗余较多,导致后续分析复杂度增加。SERS光谱智能分析则采用化学计量学方法对原始光谱进行预处理、特征提取和模型构建,实现数据降维和主要信息提取,进而实现农残的定性与定量。综上,SERS作为一种快速检测农药残留的方法具有很好的发展前景,可为今后的分析检测领域提供新的借鉴。     

表面增强拉曼光谱法在细胞氧化应激检测过程中的应用

目的：对近年来出现的利用表面增强拉曼光谱技术(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)检测细胞氧化应激的研究进行整理和总结,为氧化应激的检测提供新的思路。方法：查阅近年来出现的与SERS技术、细胞氧化应激相关的文献并对其进行分类总结。结果：利用SERS探针(或纳米传感器)可对氧化应激中所涉及的活性中间物、氧化应激产物、氧化酶等进行定量检测。结论：SERS技术因其超高的灵敏度和良好的生物相容性,可以以无损的形式对细胞氧化应激过程中各种物质的含量变化进行实时监测,同时由于拉曼光谱仪器相对简单,在采用SERS检测的同时还可以引入辐照或激光照射,这对探究氧化应激的机理有重要意义。     

金属烯碳纳米囊在SERS中的应用研究进展

表面增强拉曼光谱(SERS)技术广泛应用于表面/界面科学、光谱学、生化检测、成像示踪等领域。金属烯碳纳米囊是一类由烯碳壳层包裹金属核组成的核壳纳米颗粒，由于金属烯碳纳米囊具有高SERS灵敏度，在复杂和极端的生化环境下优异的稳定性和光学性质，因此在生化检测分析和成像示踪等领域备受关注。超薄烯碳壳层固有的化学惰性可以保护金属内核免受光生热电子、活性氧以及酶等外部因素的破坏，从而使金属烯碳纳米囊展现出超稳定的拉曼信号。此外，烯碳壳层的多个拉曼特征峰位(D、G、2D)可作为拉曼信号和内标信号，进一步提高了拉曼定量检测的准确度。值得注意的是2D峰作为拉曼静默区域内的信号峰有利于减少体内生物分子的干扰。本文首先介绍了金属烯碳纳米囊的制备原理和基本性质，概述了基于金属烯碳纳米囊的SERS检测和成像中的应用进展，最后展望了金属烯碳纳米囊在疾病诊疗的前景和潜力。     

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。     

表面增强拉曼散射(SERS)衬底的研究及应用

表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)是通过吸附在粗糙金属表面或金属纳米结构上的分子与金属表面发生的等离子共振(SPR)相互作用而引起的拉曼散射增强现象,是一种高灵敏的探测界面特性和分子间相互作用的光谱手段。文章归纳总结了近年来常用的SERS衬底的制备方法(溶液中的金属溶胶(MNPs in suspension)、 金属纳米粒子的自组装(self-assembly)、 模板法(Template method)和纳米光刻法(Nanolithographic)等;综述了这些衬底的表面增强拉曼特性;着重介绍了SERS增强在环境监测和生物医学应用上的最新国内外研究动态。目前已经能够实现增强因子高、 可靠性好、 重现性强的SERS衬底的可控制备,表明SERS可以作为一种高性能的分析探测工具,充分实现其潜在应用价值。     

基于微流控拉曼系统的癌胚抗原检测研究

癌胚抗原(CEA)是医学上使用最广泛的肿瘤标志物之一,连续监测癌胚抗原水平可用于肿瘤治疗的疗效观察及预后判断。在癌症发生初期、身体没有明显临床症状下对体内癌胚抗原的检测是十分必要的。考虑到SERS作为分子指纹光谱的高灵敏度、高特异性等优势,同时利用微流控平台使反应集中、快速且节省样品等特点,在此我们研究了基于表面增强拉曼散射与微流控技术结合检测癌胚抗原的方法,以实现对癌胚抗原的实时、快速检测。     

表面增强拉曼光谱技术在食品痕量化学危害检测中的应用

表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技术是基于被测分子吸附在某些经特殊处理、具有纳米结构的金属表面具有极强拉曼散射增强效应的分子振动光谱技术。因SERS技术具有前处理简单、操作简便、检测时间短、灵敏度高等优点,在食品安全检测领域具有良好的应用前景。食品中化学危害残留超标是主要的食品安全问题之一,已引起全球的关注,SERS技术对食品中痕量化学危害的分子识别及定量分析检测的相关研究报道数量近年来呈上升趋势。本综述概括了应用SERS对食品中常被检出的非法添加物、农药残留、抗生素及其他药物残留检测中的应用和研究进展,涉及的拉曼散射增强基底体系多种多样,如金或银等纳米溶胶体系、金纳米固体表面基底、双金属或磁性内核等复合基底。研究对象一般以化学危害物的标准溶液为起点,扩展到常被检出该化学危害物的相应食品中,如乳制品、鱼、果蔬等。由于表面增强拉曼散射强度受多种因素的影响,SERS谱图的重现性还是一个亟需解决的难题,而食品复杂体系中非目标组分对被分析物拉曼散射信号的干扰导致SERS技术还不能成为一种有效的常规快速分析方法,但SERS为食品及其他复杂体系中痕量化学物的检测提供了一个新的极具潜力的工具。     

Nanostructured gold surfaces as reproducible substrates for surface‐enhanced Raman spectroscopy

Raman spectroscopy is a common tool for the qualitative and quantitative chemical analysis of molecules. Although the unique identification of molecules is possible via their vibrational lines, high concentrations (mmol/l) are needed for their nonresonant excitation owing to their low scattering cross section. The intensity of the Raman spectra is amplified by the use of the surface‐enhanced Raman scattering (SERS) technique. While the use of silver sols results only in a limited reproducibility of the Raman line intensities, lithographically designed, nanostructured gold surfaces used as SERS‐active substrates should, in principle, combine the high sensitivity with better reproducibility. For this purpose, we have produced gratings of gold dots on Si(001) surfaces by means of electron beam lithography. Qualitative and quantitative investigations of crystal violet (CV) performed using nanostructured surfaces give high reproducibility and enhancement of the Raman lines. The substrates are reusable after cleaning; all results presented could be obtained from a single SERS substrate. For the experiments very low laser powers were used. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

Detection and analysis of cyclotrimethylenetrinitramine (RDX) in environmental samples by surface‐enhanced Raman spectroscopy

Techniques for rapid and sensitive detection of energetics such as cyclotrimethylenetrinitramine (RDX) are needed both for environmental and security screening applications. Here we report the use of surface‐enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy to detect traces of RDX with good sensitivity and reproducibility. Using gold (Au) nanoparticles (∼90–100 nm in diameter) as SERS substrates, RDX was detectable at concentrations as low as 0.15 mg/l in a contaminated groundwater sample. This detection limit is about two orders of magnitude lower than those reported previously using SERS techniques. A surface enhancement factor of ∼6 × 10⁴ was obtained. This research further demonstrates the potential for using SERS as a rapid, in situ field screening tool for energetics detection when coupled with a portable Raman spectrometer. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Photonic nanojet‐mediated SERS technique for enhancing the Raman scattering of a few molecules

We report a two‐step enhancement of Raman scattering signal (η) of a few dye molecules. In the first step, high‐quality surface‐enhanced Raman scattering (SERS) substrates have been used. The SERS substrates were fabricated by direct current sputtering of Au followed by thermal annealing. The role of thermal annealing of the SERS substrates and numerical aperture of Raman microscopic objective lens on the enhancement has been studied for optimizing the enhancement in the SERS technique. In the second step, the value of η obtained with conventional SERS technique has been improved significantly with the help of photonic nanojet (PNJ) of an optical microsphere (PNJ‐mediated SERS technique). The signal to noise ratio and reproducibility of the experimental results have been found to be very high. Based on our theoretical simulations on PNJ, a few suitable parameters have been proposed for obtaining better enhancement using this technique. To the best of our belief, this report will enable the SERS community to improve η value with ease. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

表面增强拉曼散射检测分析物分子的研究进展

表面增强拉曼散射(SERS)技术具有高效,灵敏,无损检测等特点,能实现对分析物分子的极低浓度检测,被广泛应用于痕量分析领域.在生产和生活中,有些毒性物质或非法添加剂被人体摄入或长期接触后,在体内不断累积,最终导致中毒或者组织器官发生病变;环境中过量的有害物质残留,由于其本身的毒性或者使菌株和害虫产生抗药性而造成的生态系...     

Dynamic and Reversible Accumulation of Plasmonic Core‐Satellite Nanostructures in a Light‐Induced Temperature Gradient for In Situ SERS Detection

A surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) detection method that allows dynamic on‐demand generation of SERS substrates at locations of interest for in situ molecular sensing is demonstrated. Thermal convection and thermophoresis, which are both generated in a laser‐induced temperature gradient, are used to accumulate suspended plasmonic nanostructures to form 3D SERS substrate. Raman signals of melamine, which is used as a model analyte, increase to ≈117‐fold within 2 min of laser irradiation because of the accumulation. In addition, it is demonstrated that the accumulation of the nanostructures is reversible, and that reproducible SERS effects can be obtained during a repeated heating and cooling process. Because of the capability of on‐demand generation of a high density of SERS hot spots at different locations in solution, this particle manipulation and SERS detection method is applicable to monitor temporal and spatial variations of the concentrations of molecules. The complexity of the detection system remains the same when using this method since all the measurements are performed with a conventional Raman system and simple fluid channels. The required temperature gradient is generated by the laser used to excite Raman signals, and no nanofabricated substrates and complicated microfluidic or optical components are needed.