基于微球自组装技术的大面积表面增强拉曼基底研究

表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman scattering,SERS)能够有效解决常规拉曼中信号极弱问题,在低浓度分析物的痕量检测甚至单分子的检测中具有重要的应用前景,是化学、生物、环境等领域重要的分析手段。在SERS中,高性能SERS基底的实现是关键。本文以微球自组装技术为基础,制备了一种大面积、廉价、高效的SERS基底并对其进行了形貌表征和拉曼增强光谱研究。通过开展R6G分子的SERS研究发现,此种SERS基底对R6G拉曼散射信号的增强倍数是一般粗糙基底的五倍以上。结合数值模拟分析和系统的实验研究,得到了微球直径、纳米颗粒的高度等参数对基底表面附近局域热点和SERS增强倍数的影响规律,给出了最优化的SERS基底参数。本文工作可为SERS研究提供高性能的SERS基底。     

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。     

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统破坏,会严重影响人们的正常生活;有些生物分子伴随疾病产生,可作为疾病的标志物,能给予人体健康诊断信息;有些抗癌药物由于本身具有毒性,使用时需要严格控制用量。因此,利用SERS技术对各领域分析物分子的微量检测意义重大。对SERS技术的发展、SERS增强机理和检测分析物分子的意义做了简单介绍,以化学分析、环境监测、生物医学和食品安全等领域部分分析物分子为切入点,重点介绍了SERS基底的制备工艺和检测分析物分子的检出限,并对拉曼增强机理进行阐述。检测低浓度的分析物分子,主要依靠SERS基底与分析物分子之间的有效吸附,通过基底产生的局域电磁场或者基底与分析物分子形成新的化学状态,使分析物分子拉曼信号增强。同时指出在对分析物分子定性定量分析方面面临的诸多挑战：(1)SERS基底大多以金银为原材料,成本高且不稳定,对分析物分子检测能力随时间延长而降低;(2)分析物分子在基底表面分布不均,导致点对点之间差异大,分析物分子浓度无法通过拉曼特征峰强度来准确获得且拉曼信号易受荧光和背景噪声干扰;(3)微量毒性分析物分子无法被检测出来,通过食物链或生态系统持续在人体累积,最终对人体造成不可逆的损伤。总结了不同领域常见的分析物分子,为利用SERS技术检测各领域分析物分子提供了分析和比较的基础,并为不同SERS基底的拉曼增强效果提供参考,对于推动SERS技术检测不同领域分析物分子具有重要意义。     

CNF@Ag@ZIF-8膜的气态醛SERS传感应用

挥发性有机物(VOCs)检测在生命健康、食品安全及环境保护等领域都有着重要价值。表面增强拉曼散射(SERS)光谱是一种分子的指纹光谱,可以用于痕量气体及混合气体的快速检测。我们设计制备了纤维素纳米纤维@银纳米粒子@沸石咪唑酯骨架材料(CNF@Ag NPs@ZIF-8)SERS基底,表面修饰对氨基苯硫酚(PATP)后,通过醛基和氨基的席夫碱反应实现间接痕量醛类气体的SERS传感应用。结果表明,该基底能够实现苯甲醛(BA)的快速、高灵敏度检测,最低检测浓度为10 ppb,有望用于呼吸气体的成份分析,实现疾病的早期筛查与诊断。     

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。     

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。     

银纳米有序阵列SERS活性基底的制备及在膀胱肿瘤细胞检测中的应用

以多孔阳极氧化铝(porous anodic alumina,PAA)膜为模板,采用真空电子束蒸镀技术,分别在PAA多孔层以及阻挡层表面形成了银纳米孔和银纳米帽有序阵列表面增强拉曼散射(surface-enhancedRaman scattering,SERS)活性基底,并以膀胱肿瘤细胞作为分子探针,测试和分析了这两种SERS活性基底的表面增强拉曼光谱的特性。结果表明,两种SERS活性基底对膀胱肿瘤细胞的拉曼散射信号均有很好的增强作用。银纳米帽有序阵列SERS活性基底不仅具有较高的SERS增强和荧光猝灭效应,而且不存在与PAA膜中草酸根杂质相关的干扰峰,可获得膀胱肿瘤细胞拉曼散射光谱的更多细节信息。     

三种不同银纳米粒子SERS基底比较研究

表面增强拉曼光谱(SERSp)技术是一种新兴的分析检测技术,由于其对样品分析灵敏度高、检测时间短以及样品所需量小等优点,近年来该技术已在生物医学,化学等领域得到广泛的应用,同时表面增强拉曼散射(SERS)基底的制备已成为该领域的研究热点。本文主要对三种以银纳米粒子(AgNPs)的SERS效应为基质的拉曼活性基底:毛细管-AgNPs,二氧化钛-AgNPs和滤纸-AgNPs进行比较研究。首先分别用三种基底对罗丹明6G(R6G)分子进行拉曼光谱采集及分析,找出三种SERS基底相应的最佳制备条件。最后用这三种最佳条件下制备的SERS基底对同一个健康人血清进行拉曼光谱检测,并对结果进行分析比较。初步结果:三种SERS基底都是可靠的和实用的;二氧化钛-AgNPs基底灵敏度相对较高,但制备过程较复杂;滤纸-AgNPs基底灵敏度其次;毛细管-AgNPs基底及滤纸-AgNPs基底的制备均较为简单。因此,从实用角度考虑,滤纸-AgNPs基底比较适合血清的表面增强拉曼光谱检测与分析。     

噻菌灵分子的表面增强拉曼光谱的理论研究

表面增强拉曼散射(SERS)是指当分子靠近或者吸附于基底表面时,分子的拉曼散射信号会显著增强的现象。SERS克服了常规拉曼散射信号强度比较弱的缺点,被广泛地应用在环境检测、催化化学、有机化学和生命科学等领域。本文利用密度泛函理论计算方法对农残噻菌灵分子的SERS光谱进行模拟,并探讨SERS增强机理。系统研究了噻菌灵在金团簇的吸附行为和SERS增强效应,得到金团簇在噻菌灵分子上的最佳吸附位置。利用五种吸附结构(噻菌灵-Au n,n=1-5)对噻菌灵与金团簇的相互作用进行了理论研究,研究表明噻菌灵-Au 4最稳定。结合拉曼光谱和理论计算的结果,借助高斯软件的图形化功能,对噻菌灵分子的振动模式、普通拉曼光谱和SERS光谱进行了系统的指认。     

新型冠状病毒S蛋白在金纳米粒子中的表面增强拉曼效应

表面增强拉曼光谱技术因其高灵敏度、操作简单、快速检测等优点,被广泛用于病毒检测方面。国内外的病毒拉曼检测研究主要集中在检测病毒核酸以及组成核酸的各种碱基的表面增强拉曼光谱(SERS),但少见对病毒蛋白的SERS检测。以新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的S蛋白为检测对象,采用无标记SERS检测方法,对比SARS-CoV-2固态、饱和液态S蛋白的普通拉曼光谱和选用40 nm金纳米粒子为基底的SARS-CoV-2低浓度S蛋白SERS光谱。结果表明,以40 nm金纳米粒子为基底,采用SERS技术检测SARS-CoV-2的S蛋白是完全可行的。SARS-CoV-2的S蛋白分子中的羧基与金纳米粒子发生了分子增强,氨基与金纳米粒子发生了电磁增强,从而使得SARS-CoV-2的S蛋白拉曼效应得到了增强,并使得峰位发生一定移动。实验获得了较好的SARS-CoV-2低浓度S蛋白SERS光谱,为建立敏感、特异、快速的SARS-CoV-2检测新技术提供了一种方法。     

Surface‐enhanced Raman spectroscopy coupled with dendritic silver nanosubstrate for detection of restricted antibiotics

Surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) coupled with dendritic silver nanosubstrates was used in this study for rapid detection and characterization of restricted antibiotics. Dendritic silver nanosubstrates were prepared through a simple replacement reaction and stored in deionized water for months. SERS methods with near‐IR excitation at 785 nm using silver nanosubstrates were evaluated for detection of three restricted antibiotics (i.e. enrofloxacin, ciprofloxacin, and chloramphenicol) prepared in standard solutions. SERS was capable of identifying and characterizing three antibiotics quickly and accurately. Silver dendrites exhibit satisfactory and consistent performance with an analytical enhancement factor of ∼10⁴. The limit of detection and limit of quantification for antibiotics could reach the level of 20 ppb. Silver dendrites can be kept in deionized water for up to 6 months with no signs of degradation in SERS performance. These results demonstrate a great potential of using SERS coupled with silver dendrites for rapid detection, classification, and quantification of chemical contaminants. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

SERS detection of explosive agent by macrocyclic compound functionalized triangular gold nanoprisms

Triangular gold nanoprisms with high yield percentage were synthesized via the seed‐mediated approach and functionalized by mono‐6‐thio‐β‐cyclodextrin without alkyl chain. The undecorated and decorated triangular gold nanoprisms were characterized and analyzed. Moreover, the novel decorated triangular gold nanoprisms were used as surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) substrates for chemical sensing of the explosive agent 2,4‐dinitrotoluene (DNT). The vibrational bands in the experimental SERS spectrum were assigned with the aid of density functional theoretical simulation. The analytical enhancement factor of the hybridized triangular gold nanoprisms for the detection of DNT has been obviously increased in contrast with hybridized spherical gold nanoparticles, suggesting that the former are excellent SERS substrates. Compared to some other approaches, the limit of detection can be remarkably improved (qualified as sub‐ppb level), which indicates that the excellent chemical sensing of decorated triangular gold nanoprisms can be widely applied to trace analysis of explosive or warfare agents. Copyright © 2011 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。     

Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) Analysis of Urea Trace in Urine,Fingerprint, and Tear Samples

The detection of molecular biomarkers of various diseases in biologic fluids is of paramount interest in the field of biomedicine. In this work we demonstrate a direct and reliable identification of urea metabolic by-product in two particular biological fluids, namely, tears and fingerprints, by surface-enhanced Raman scattering (SERS) using gold colloidal particulate films as active plasmonic substrates. The SERS analysis of urea in tears and fingerprint samples produced in the secretions of the sebaceous and eccrine glands, respectively, was directly correlated with SERS analysis of urea in urine samples collected from the same volunteer. We demonstrate a high level of sensitivity and reliability, which would allow this method to be extended for monitoring other biomarkers present in these special biologic fluids as proteins and metabolites. Additionally, the SERS analysis is far less invasive than any other conventional analysis, such as the blood urea nitrogen test, which requires blood samples.     

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。     

基于表面增强拉曼光谱技术的金表面耐腐蚀性分析

金属表面耐腐蚀性能与其微观结构密切相关。以金为分析对象,采用不同粒径氧化铝抛光粉抛光处理金片表面,经扫描电镜和原子力显微镜观察,表明金片表面具备与实际工件类似的微观结构,在此基础上,研究金片表面微观划痕结构对表面增强拉曼散射(SERS)以及耐腐蚀性能的影响。以罗丹明B为探针分子,对不同特征尺寸的微观划痕进行SERS分析,获得了罗丹明B的SERS信号强度随划痕平均特征尺寸的变化规律。通过改变拉曼激发光偏振方向与划痕方向的夹角大小,发现SERS信号主要归因于激发光与划痕相互作用产生的横向表面等离激元。划痕平均特征尺寸在50 nm附近时,横向表面等离激元最强,之后随着划痕平均特征尺寸增加,横向表面等离激元逐渐变弱。另一方面,对具有不同特征尺寸微观划痕的金片进行电化学极化测试,获得了各样品的自腐蚀电位,发现金片的自腐蚀电位随着划痕平均特征尺寸增大而降低。结果表明,当划痕平均特征尺寸大于50 nm,金表面的SERS信号与自腐蚀电位间存在良好的线性对应关系,这为SERS技术用于工件耐蚀性分析提供了依据。通过在工件表面滴涂探针分子并使用便携式拉曼光谱仪测量有望可以对工件耐蚀性进行现场快速预判。     

TLC-SERS法快速检测改善睡眠类保健食品中四种化学成分

建立薄层色谱(TLC)与表面增强拉曼光谱(SERS)联用技术对改善睡眠类保健食品中四种非法添加化学成分(三唑仑、艾司唑仑、氯硝西泮及奥沙西泮)的快速检测新方法。以环己烷-乙酸乙酯-乙醇(5∶3.5∶2)为展开剂,利用 TLC 将添加成分与保健食品基质初步分离,在UV_{254 nm}下检测定位;以780 nm激光为激发波长,水相银溶胶为表面增强剂,采用SERS法对TLC上的微量添加成分定性检测。通过模拟阳性样品实验,考察保健食品基质对添加成分TLC-SERS的影响,并考察四种化学成分的检测限。建立了改善睡眠类保健品中非法添加四种化学成分的TLC-SERS检测方法。四种添加成分的TLC-SERS与相应对照品的拉曼光谱特征峰存在明显相关性;保健食品的基质对添加成分的检测几乎没有干扰;四种化学成分的检测限为1～4 μg。最后,对市售五种改善睡眠类保健食品进行检测,均不存在非法添加情况。该研究利用TLC与SERS相结合的方法应用于改善睡眠类保健食品中掺杂化学成分的快速检测,并获得了镇静安眠类共四种化药的TLC-SERS谱,建立了改善睡眠类保健食品中非法添加三唑仑等四种化药的检测方法;该法专属、灵敏、快速、简单,并且没有显著的检测时间限制,为改善睡眠类保健食品中掺杂化学成分的现场检测方法研究提供新的参考依据。     

Application of monitoring methodology in carbon complex contained solution using surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS)

Raman spectroscopy is employed to obtain information that cannot be obtained using other technologies, using inelastic scattering. The development of laser technology enables Raman spectroscopy to overcome its limits and succeed in various fields. For example, compared with other analysis methods that use light, it does not require a sample preparation or long measuring time—thus, it is a great breakthrough for in situ process applications. Also, it is difficult to analyze functional groups that are combined and the influence on the reaction is analyzed during the reaction in chemical solutions. Therefore, Raman spectroscopy provides an analytic method and assists in every step to increase the accuracy of the chemical process. Lately, developed surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) are used in precise analyzing methods. High-resolution SERS needs a specific substrate to satisfy each purpose. Raman spectroscopy is now advanced to be more a powerful analytic tool, combined with surface-enhancing technology, atomic force microscopy (AFM), and other technology.     

金纳米粒子聚集体系的制备及其SERS效应表征

以Na2S作为金纳米粒子的还原制备与聚集剂制备了金纳米粒子聚集体系。在制备过程中通过紫外可见光谱对制备条件进行了优化。TEM表征显示聚集体系中的金纳米粒子均为球形,且聚集状态呈现出较好的均匀性。将这一聚集体系作为SERS基底应用于若干氨基酸分子的SERS光谱表征与分析。初步的研究表明Na2S-金纳米粒子聚集体系可有效地应用于生物分子的SERS光谱表征与分析。