表面增强红外光谱在生物分析中的应用

表面增强红外光谱可以在单分子水平上原位监测界面吸附分子的振动变化,提供定向和构象的信息,因而备受关注。本文简单介绍了表面增强红外光谱产生、增强机制、基底制备方法、特点,重点评述了表面增强红外光谱在原位解析复杂的生物界面过程和结构变化方面的进展,并展望其发展前景。     

原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术

介绍了原位研究电极,溶液界面反应的技术--衰减全反射表面增强红外光谱实验技术(ATR-SEIRAS)的产生背景和工作原理,重点描述了ATR-SEIRAS实验技术的关键:光谱电化学池的构造和薄膜电极的制备.与IRAS相比,ATR-SEIRAS技术可以更容易消除溶剂的背景吸收,获得较高的表面灵敏度,而且允许物质在电极表面自由扩散.与循环伏安相结合,利用ATR-SEIRAS技术可以实时监测电极,溶液界面问的反应.选择了利用ATR-SEIRAS实验技术原位研究功能表面的构造和性质、分子识别和反应中间体的形成等方面的应用实例,分析了ATR-SEIRAS实验技术的研究方向.     

2-巯基苯并噻唑对铜缓蚀行为的表面增强红外光谱研究

2-巯基苯并噻唑(MBT)是Cu的高效缓蚀剂,但是缓蚀机理存在较大争议.本文通过电化学极化曲线从宏观角度对缓蚀效率进行评估,并利用原位衰减全反射-表面增强红外光谱技术结合理论计算研究了电位控制下的微观吸附构型.结果表明:在较高电位(大于0 V,相对饱和甘汞电极(SCE))下,MBT和金属Cu之间发生电子转移,MBT以硫醇式的环外S和N与金属Cu(I)离子配位在表面形成聚合物膜;在较低电位(小于0 V,vs SCE)下,MBT通过环外S原子以硫醇离子形式在金属Cu表面直立吸附.表面膜阻止了腐蚀介质的侵蚀,起到了较好的缓蚀效果.     

多孔硅上银纳米粒薄膜的制备及其表面增强红外光谱

通过简便的化学沉积法在多孔硅上制备银纳米粒薄膜用于表面增强红外光谱检测。通过Ag⁺与多孔硅表面的SiHx发生氧化还原反应将银纳米粒子沉积在多孔硅表面。红外探针分子溶解于无水乙醇中进而被均匀分散在多孔硅表面,实验结果显示：对氨基苯硫酚、对氨基苯甲酸和对氟苯硫酚3个探针分子的红外峰分别最大增强了10、85和21倍。银纳米粒的大小和形状等物理特性、探针分子是否有与银表面进行强结合的基团和芳烃结构、以及表面选律等因素影响表面增强红外的吸收效应。     

表面增强拉曼光谱:应用和发展

表面增强拉曼光谱技术(Surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)是一种具有超高灵敏度的指纹光谱技术,目前已广泛应用于表面科学、材料科学、生物医学、药物分析、食品安全、环境检测等领域,是一种极具潜力的痕量分析技术。 本文对SERS技术及相关的针尖增强拉曼光谱(Tip-enhanced Raman spectroscopy,TERS),壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(Shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy,SHINERS)技术的发展及应用进行了综合评述,并探讨了其未来的研究热点及发展方向。     

表面增强拉曼光谱技术研究进展

表面增强拉曼光谱(SERS)具有检测灵敏度高、分析速度快等优点,是一种颇具潜力的痕量分析技术。SERS技术的关键在于通过机理研究制备出稳定性高、灵敏度高、重现性好的活性基底,从而实现痕量物质的定量分析。对SERS活性基底的发展和SERS在一些领域的应用进行了综述,提出了亟待解决的问题。     

标记免疫双组分的SERS检测研究

以金膜为免疫检测的基底, 采用自组装技术(Self-assembled monolayer, SAM)将ω-巯基十六酸(16-MHA)修饰于金膜后与抗体结合成固相抗体, 在此基础上组装“固相抗体-待测抗原-标记免疫金溶胶”三明治复合体系. 采用不同标记分子苯硫酚(Thiophenol)和4,4'-联吡啶(4,4'-Bipyridine)分别标记不同的免疫金溶胶, 利用表面增强拉曼光谱(SERS)谱峰较窄且具有较强的分辨率及高灵敏度的特点, 通过对两种标记分子特征谱峰的判断识别所加入的两种抗原. 通过选择合适的标记分子和一定尺度的免疫溶胶, 标记免疫SERS检测的检测限可达到飞克级(1—100 fg/mL).     

水溶液中碳纳米管的表面增强拉曼光谱研究

合成了碳纳米管和金纳米颗粒的复合物, 测量了水溶液相中复合物的表面增强拉曼光谱, 结果表明, 碳纳米管的巯基化修饰可以提高碳纳米管与金纳米颗粒复合的效率, 随着金纳米颗粒负载量的增加, 碳纳米管的拉曼信号逐渐增强. 加入己二胺分子可以减小金纳米颗粒之间的距离使表面增强效应更显著, 碳纳米管的拉曼光谱得到进一步的增强. 还可进一步在复合体系中加入对巯基苯胺和罗丹明B等小分子拉曼探针, 利用金纳米颗粒的表面增强效应, 这种多元复合体系有望作为多通道拉曼成像探针材料.     

基于表面增强拉曼光谱技术的心肌生物标志物检测

心血管疾病(CVD)是全球最主要的死亡原因,急性心肌梗死(AMI)是心血管疾病致死的主要病因,安全快速地诊断AMI对于降低患者的死亡率至关重要。因常用的检测方法如心电图(ECG)缺乏足够的敏感性,寻找并针对AMI生物标志物开展高灵敏检测已成为早期检测AMI重要手段。心肌肌钙蛋白I(cTnI)、肌酸激酶同工酶(CK-MB)和肌红蛋白(Myo)是目前公认的检测AMI的重要心肌生物标志物。在过去的几十年里,许多生物传感器被开发出来用于检测心肌生物标志物,其中基于表面增强拉曼光谱(SERS)的心肌生物标志物检测技术迅速发展,并表现出独特的技术优势和广阔的应用前景。本文首先介绍了多种心肌生物标志物及其与AMI的关联,在此基础上概述主要的心肌生物标志物检测方法的原理、优势及局限性,重点介绍近年来新兴的SERS技术及其在心肌生物标志物传感方面的最新研究进展,并对该技术在AMI诊断方面的应用前景以及有待突破的瓶颈进行了讨论和展望。     

固体活性基底表面增强拉曼光谱研究进展

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种研究分子吸附和界面现象的有效手段,它促进了拉曼光谱技术应用的发展,其增强机理主要包括电磁增强机理和化学增强机理。固体活性基底是SERS技术的重要组成部分,综述了水体系和非水体系SERS固体活性基底的研究状况及SERS固相基底在定量分析方面的应用,指出了SERS固体活性基底在非水体系的应用潜力。     

用表面增强喇曼光谱研究8种席夫碱化合物及其对脱氧核糖核酸的作用

研究了Ｎ－β－萘酚醛－Ｄ－氨基葡萄糖夫碱及其７种新金属络合物的表面增强喇曼光谱，探讨了它们的振动光谱特征，发现它们在银胶上的吸附方式并不相同，因而在ＳＥＲＳ光谱中存在着明显差异。用ＳＥＲＳ光谱研究了它们与ＤＮＡ的作用。     

表面增强红外吸收光谱——表面敏感的原位免标记光谱电化学技术

表面增强红外吸收光谱（尤其衰减全反射表面增强红外吸收光谱）是一种超灵敏的红外光谱技术,能够实现亚单层膜水平的表面选择性探测. 由于增强基底可同时作为工作电极实现电化学调制,衰减全反射表面增强红外吸收光谱是一种表面敏感的原位免标记光谱电化学技术. 本文首先简要介绍了表面增强红外吸收光谱的基本原理和技术特点,之后通过代表性研究工作着重介绍近年衰减全反射表面增强红外吸收光谱电化学的应用和发展,最后展望了表面增强红外光谱所面临的挑战和潜在的研究方向.     

Extending Surface-Enhanced Raman Spectroscopy to Liquids Using Shell-Isolated Plasmonic Superstructures

Plasmonic superstructures (PS) based on Au/SiO₂ were prepared for Shell-Isolated Nanoparticle-Enhanced Raman Spectroscopy (SHINERS) in liquid phase applications. These superstructures are composed of functionalized SiO₂ spheres with plasmonic Au nanoparticles (NPs) on their surface. Functionalization was performed with (3-aminopropyl)trimethoxysilane, (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane and poly(ethylene-imine) (PEI). Of these three, PEI-functionalized spheres showed the highest adsorption density of Au NPs in TEM, UV/Vis and dynamic light scattering (DLS) experiments. Upon decreasing the Au NP/SiO₂ sphere size ratio, an increase in adsorption density was also observed. To optimize plasmonic activity, 61 nm Au NPs were adsorbed onto 900 nm SiO₂-PEI spheres and these PS were coated with an ultrathin layer (1–2 nm) of SiO₂ to obtain Shell-Isolated Plasmonic Superstructures (SHIPS), preventing direct contact between Au NPs and the liquid medium. Zeta potential measurements, TEM and SHINERS showed that SiO₂ coating was successful. The detection limit for SHINERS using SHIPS and a 638 nm laser was around 10⁻¹² m of Rhodamine (10⁻¹⁵ m for uncoated PS), all with acquisition settings suitable for catalysis applications.     

Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for characterization SARS-CoV-2

We used SERS with silver nanoparticles (AgNPs) as the active substrate to develop a, simple, quick, and accurate method for the detection and characterization SARS-CoV-2 without the need for RNA isolation and purification. Inactivated SARS-CoV-2 was used. The SERS signals were more than 10⁵ times enhanced than the normal Raman (NR) spectra. The SERS spectra of SARS-CoV-2 fingerprint revealed pronounced intensity signals of nucleic acids; aromatic amino acid side chains: 1007 cm^?1 (Phe marker), 1095 cm^?1 (CN and PO₂^? markers), 1580 cm^?1 (Tyr, Trp markers). Vibrations of the protein main chain: 1144 cm^?1 (CN and NH₂ markers), 1221 cm^?1 (CN and NH markers), 1270 cm^?1 (NH₂ marker), 1453 cm^?1 (CHCH₂ marker). All of these biomolecules could be adsorbed on the AgNPs surface's dense hot patches. The intensity of the SERS band varied with the concentration of SARS-CoV-2, with a virus detection limit of less than 10³ vp/mL and RSDs of 20 %.     

高聚物的动态红外光谱研究

动态红外光谱法是研究高聚物在外加力场作用下变形或松弛现象的极为有用的手段。本文介绍了动态红外光谱法的实验技术以及若干近期的研究结果。     

红外光谱法分析酵母蛋白质的二级结构

采用红外光谱法分析了酵母蛋白质的二级结构。测定了不同温度下酵母酰胺Ⅲ带的一维红外光谱、二阶导数红外光谱及去卷积红外光谱。结果表明:随着测量温度的升高,酵母中的蛋白质α-螺旋结构的红外吸收强度降低;而β-转角结构、无规卷曲结构和β-折叠结构红外吸收强度均有所增加。还研究了酵母酰胺Ⅲ带的二维红外光谱,以确定酵母中蛋白质红外吸收强度的变化次序,进一步证明了酵母蛋白质的β-折叠结构的热不稳定性。     

电化学界面SERS光谱的密度泛函理论研究

运用量子化学密度泛函DFT理论和拉曼光谱研究了吡啶在过渡金属(Ⅷ族)和币族金属(IB族)表面吸附的成键机理及其拉曼光谱的变化规律.总结了作者研究组有关吡啶-金属SERS体系的研究,并从化学成键机理和光驱电荷转移机理两个方面探讨了电化学界面SERS谱峰的频率位移和增强效应,解释了实验观测到的SERS光谱随金属电极材料、激发光波长以及电极电位变化的现象.     

A Molecular Study of Aspirin and Tenofovir Using Gold/Dextran Nanocomposites and Surface-Enhanced Raman Spectroscopy

In this study, we show how surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) can be used to monitor the molecular behaviour of aspirin and tenofovir as a means of screening medication for quality control purposes. Gold-coated slides combined with gold/dextran nanoaggregates were used to provide signal enhancement of the drugs using SERS. Aspirin (10% w/v) and tenofovir (20% v/v) were analysed in the presence of the nanomaterials to determine trends in molecular response to changes in gold/dextran concentrations. Qualitative analysis of the functional groups showed specific trends where the peak area increased with polarizability, electron density and decreased atomic radii. Steric hinderance effects also affected the trends in peak area due to the amount of gold/dextran nanoparticles in solution. Statistical analysis provided accurate and precise linear relationships (R² = 0.99) for the ester and adenine functional groups of aspirin and tenofovir, respectively. From the above findings, the combined use of gold nano-scaffolds and gold/dextran nanomaterials amplified the Raman signal from the drugs to allow for systematic evaluation of their molecular properties. Although more experiments to correlate the findings are still needed, this SERS approach shows great potential as a screening method in the quality control of medications.