表面增强拉曼散射技术应用于基因分析的研究进展

基因是生物体中传递遗传信息的基本单位,对从分子水平上理解生命现象具有重要意义。近年来针对基因的高效检测及基因相关领域的研究备受关注,基因检测的常用方法是分子生物学方法,主要集中在实验室内开展。相对而言表面增强拉曼散射(SERS)实时表征技术在基因分析中具有很好的应用前景,在基因的检测与鉴别的一些领域逐渐发挥出明显的优势。SERS是一种重要的光谱分析技术,是基于光化学技术的生物活性分子传感器。20世纪70年代,SERS现象的发现给光谱技术的研究注入了新的活力。由于SERS技术不受水分子干扰,因此具有灵敏度高、选择性高、信息量大以及适合水溶液物质研究等优点,能够快速、准确地为生物提供丰富的结构信息,即分子的“指纹”信息。在生命科学领域,SERS技术越来越多地应用于目标样本的原位无损探测。通过对拉曼光谱技术的特点,结合基因的结构特征进行分析,简要介绍了拉曼光谱的原理,围绕SERS散射的原理综述了拉曼光谱信号放大的增强模式和增强介质材料,解决了其含量低检测难、灵敏度低、信号复杂、选择性和特异性差以及信号重现性和稳定性不佳等难点,因此在基因分析领域中得到迅速发展,成为国内外研究的热点,显示出独特的价值和作用;重点阐述了SERS在DNA分子结构、DNA作用机制等方面的探索;并且针对SERS技术结合最新生物技术用于基因分析进行分类综述,讨论了SERS基因分析技术在疾病诊断、病原检测、药物分析、转基因鉴定等方面的最新进展,总结了SERS技术在实际应用中面临的机遇与挑战,简要分析其存在的问题以及在生命科学领域发展的方向和潜力,并对SERS技术广阔的应用前景进行了展望。

基于Au@4-ATP@Au凸多面纳米颗粒的多菌灵表面增强拉曼散射检测

表面增强拉曼散射(SERS)技术在农药残留的检测方面具有很大的潜力,但在痕量和定量分析方面仍存在局限性。提出了一种基于Au@4-ATP@Au凸多面纳米颗粒(NCPs-Au@4-ATP@Au)为增强基底的农药检测方法。XRD结果表明,由于探针分子对金前驱的选择性和诱导性,NCPs-Au@4-ATP@Au纳米颗粒与球形金纳米颗粒晶面结构信息有明显差异,具体体现在(200)处的强反射峰。结合扫描电镜与吸收光谱可以确定,NCPs-Au@4-ATP@Au同时具备球形与多面体结构特征。吸收峰较球形金纳米颗粒有明显红移,更加接近激发光波长,这在理论上更有利于SERS信号的增强。实验证明,以表面包覆高指数晶面,同时内嵌4-ATP作为探针分子的NCPs-Au@4-ATP@Au为增强基底,农药多菌灵(CBZ)的检测限(LODs)达到0.66 nmol·L^(-1)。通过对CBZ分子的拉曼与SERS光谱位移分析可以初步确定,CBZ分子是通过NH键和CO键吸附于金纳米颗粒上。Au@4-ATP@Au利用多凸面结构体提高灵敏度的同时,以4-ATP作为定标信号,归一后光谱稳定性和时效性也得到改善。内标峰强度矫正后光谱稳定性的相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)低至7.03%,半个月内信号强度仅降低5.87%,RSD为2.94%。结果表明,NCPs-Au@4-ATP@Au提高了SERS在农药检测方面的痕量和定量检测能力,该基底有望推动SERS在实际中的应用。

大孔柚子型微结构光纤探针的表面增强拉曼散射性能研究

随着光纤制备工艺以及纳米材料制备技术的发展,光纤探针已成为一种新型的表面增强拉曼散射(SERS)基底,通过在普通单模光纤或多模光纤上制备不同的结构并修饰相应的纳米材料,可以得到多种类型的光纤表面增强拉曼散射探针,并实现较好的检测效果。但受限于光纤本身的结构,普通光纤仅能利用端面或侧表面提供拉曼检测的“热点”区域,限制了其SERS性能的进一步提高。因此制备了大孔柚子型微结构光纤(MSF)表面增强拉曼散射(SERS)探针,其中大孔柚子型MSF SERS探针结构通过一段阶跃多模光纤与柚子型微结构光纤熔接制得。实验分别对自制的纳米银溶胶基底以及大孔柚子型MSF SERS探针的SERS性能进行检测。采用溶胶自组装法制备负载银纳米颗粒的MSF SERS探针,通过控制自组装时间制备不同光纤SERS探针(Ag/MSF-x,其中x为自组装时间,分别为15、30、45、60 min)。采用溶液检测方法,利用Ag/MSF-x探针对10^(-3) mol·L^(-1)的亚甲基蓝(MB)探针分子进行检测,通过比较相同条件下的增强效果筛选得到Ag/MSF-45探针。为进一步检测Ag/MSF-45探针的SERS性能,制备不同浓度的MB溶液,分别利用纳米银溶胶基底和Ag/MSF-45探针对其进行检测。实验结果表明,纳米银溶胶基底对MB的检测限(LOD)为10^(-6) mol·L^(-1),Ag/MSF-45探针对MB的检测限(LOD)为10^(-7) mol·L^(-1);拉曼信号的再现性结果表明纳米银溶胶基底以及Ag/MSF-45探针在各个特征峰处的RSD值均在合理范围内;在1619 cm^(-1)拉曼位移处对纳米银溶胶基底以及Ag/MSF-45探针检测MB的拉曼强度和浓度进行对数转换拟合,纳米银溶胶基底的拟合优度R2达0.91628,Ag/MSF-45探针的拟合优度R2达0.98848;纳米银溶胶基底和Ag/MSF-45探针的再现性结果表明,其在各个特征峰处的RSD值均处于合理范围,但Ag/MSF-45探针的各特征峰RSD值均小于纳米银溶胶基底,最大为13.89%;利用10^(-6) mol·L^(-1)的MB对Ag/MSF-45探针的增强因子(AEF)进行计算,Ag/MSF-45探针的AEF达到6.09×10^(6),表现出良好的增强效果。因此,基于大孔柚子型MSF SERS探针凭借独特的空气孔结构使其具有较高的灵敏度以及良好的再现性,且其SERS性能均优于纳米银溶胶基底,在农业、化学分析、生物检测等领域及大分子物质检测等方面应用前景广泛。

水凝胶表面增强拉曼散射基底的研究进展

水凝胶作为表面增强拉曼散射(SERS)基底具有检测灵敏度高、均匀性好、重现性好、长期稳定、抗干扰性强、操作便捷等优势;与其他柔性SERS基底相比,水凝胶的分子筛作用可避免复杂样品中的大分子干扰,简化甚至无需样品前处理过程。本文综述了水凝胶SERS基底的研究进展,重点介绍了水凝胶SERS基底的几种常见制备方法,包括原位合成法、包埋/嵌入法、沉积法、吸附法等,以及水凝胶SERS基底在环境监测、食品安全和生物医学等方面的应用现状,为SERS技术的发展和应用提供参考。

表面增强拉曼散射光谱在miRNAs检测中的研究进展

表面增强拉曼散射(SERS)因其灵敏度高、非侵入性、多路检测等特点,已广泛应用于生物医学检测。研究发现微小核糖核酸(miRNAs)的异常表达与多种疾病有关,miRNAs已成为一种新型的生物标志物。开发简单、灵敏、可靠的miRNAs检测方法,对miRNAs的生物学功能研究、医学诊断、疾病治疗和靶向药物研究具有重要意义。目前,与核酸信号放大策略相结合的纳米SERS探针,用于miRNAs检测表现出较高的灵敏度。然而实际样本中成分复杂,易产生背景信号,干扰检测结果;分离纯化过程繁琐,增加了检测时间。近年来,研究者们通过结合其他技术来优化检测,提高样本检测通量、简化操作、减少分析时间、提高分辨率。该论文主要介绍了基于SERS技术的miRNAs检测方法的最新进展,讨论了技术融合的优势与必要性,并总结了基于SERS技术的miRNAs检测用于临床检测还存在的问题,旨在为设计新型快速灵敏可靠的miRNAs SERS检测平台提供参考。

调控金纳米花表面凸起的策略及其表面增强拉曼散射活性

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与十二烷基硫酸钠(SDS)通过阳离子架桥形成的拟聚阴离子为软模板,通过改变PVP、SDS和纳米材料前驱体氯金酸(HAu Cl_(4))浓度以及反应时间等因素,调控还原产物金纳米花形貌及粒径。表面张力、电导率、毛细管电泳及Zeta电位等实验结果表明PVP-SDS-HAu Cl_(4)形成新的拟聚阴离子,透射电子显微镜和X射线衍射结果表明SDS、PVP和HAu Cl_(4)的较低浓度组合更易获得表面凸起丰富的金纳米花。PVP-SDS拟聚阴离子发挥了二级软模板作用,在PVP(50 g·L^(-1))-SDS(2 mmol·L^(-1))-HAu Cl_(4)(0.25 mmol·L^(-1))溶液中调控合成的金纳米花为{111}晶面为主的面心立方结构,其平均等效粒径为108 nm,且表面上密集分布约16.5 nm的凸起。该金纳米花有较强的表面增强拉曼散射(SERS)活性,探针分子罗丹明6G的SERS信号强度依赖于金纳米花的表面凸起形貌。该研究中金纳米花的SERS增强因子最高达6.71×10^(7),优于同类金纳米花的文献报道水平(106);尽管低于石墨负载的金纳米粒子(1×108)或阳离子软模板合成的金纳米棒(5×109),但成功避免了基质干扰或阳离子强吸附使应用受限。

用于检测果蔬中农药残留的柔性表面增强拉曼散射基底的设计策略和应用进展

随着人口增长和生活水平的提高,果蔬中的农药残留已成为关注焦点。表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering,SERS)技术因其快速、无损和指纹识别特性,被认为是食品安全检测的有效方法之一。引入柔性SERS基底为非平面果蔬表面的原位检测带来了新机遇,相比于传统的刚性基底,柔性基底通过“粘贴-剥离”或拭子取样方法,提供了更大的灵活性和适应性。尽管柔性基底在农药残留检测中显示出巨大潜力,但设计和制备高灵敏度、高稳定性且信号重现性好的柔性基底仍是一个挑战。本文深入探讨了柔性基底的构建策略,包括柔性基底材料的选择和柔性基底的制备方法。此外,文章还总结了柔性基底在果蔬农药残留检测中的应用实例,展示了其在实际应用中的效果。文章最后提出了针对这些挑战的可能解决方案,并对未来的研究方向进行了展望。这些解决方案和展望旨在推动柔性SERS基底的进一步研究和应用,为提高果蔬农药残留检测的准确性和效率提供支持。

利用高信噪比纳米探针实现原位精确的表面增强拉曼光谱生物成像

生物行为的可视化对于基础和临床医学研究至关重要。表面增强拉曼光谱(Surface-enhancedRaman spectroscopy,SERS)作为一种新兴的光学技术,因其无创、高灵敏、快速和多重检测的特性引起了人们的广泛关注。尽管目前的SERS技术在体外分子传感领域发展迅速,但由于现有的SERS成像速度和精度不足以满足活体成像的需求,仍无法实现实时可视化体内小分子的时空动力学。该文重点阐述了通过间隙增强核壳纳米颗粒、半导体复合纳米颗粒、拉曼沉默区SERS探针等这些更灵敏、可控、精确的纳米探针,在SERS体内成像方面的最新技术突破。SERS成像在细菌、肿瘤监测和光热治疗方面的研究越来越多,在制备SERS探针时,需要考虑背景信号的清除率、活体检测的穿透深度、靶标的靶向性、正常组织的无损性以及探针的活体清除率。此外,阐述了SERS在细胞成像、体内组织成像、术中成像和细菌成像中的最新研究应用。最后,对于SERS生物成像的未来发展进行了展望,并指出SERS成像在临床疾病预防、诊断和治疗方面具有巨大的潜力。

利用激光辐照AgCl纳米立方体制备表面增强拉曼散射基底的方法

利用激光辐照AgCl纳米立方体,通过析出Ag纳米颗粒制备了表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering,SERS)基底。利用水热法合成AgCl纳米立方体,随后利用波长为633 nm的激光进行辐照,AgCl纳米立方体表面会析出Ag纳米颗粒。利用场发射扫描电子显微镜对辐照后的样品进行形貌表征,同时采用对氨基硫酚(PATP)探索Ag@AgCl样品的SERS灵敏度。结果发现,随着辐照功率增大或者辐照时间增加,析出的Ag颗粒数量增多并且尺寸增大,因此获得的SERS基底的灵敏度得到增强。研究结果为制备SERS基底提供了一种比较简便的方法。

表面增强拉曼散射传感技术在食品生物胺快速检测中的应用研究进展

生物胺主要由微生物氨基酸脱羧酶作用于氨基酸脱羧而生成,广泛存在于食品中。生物胺摄入过量可能会引起直接或间接的毒性作用,因此开展食品中生物胺的快速筛查至关重要。表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)技术作为一种高灵敏、无损检测、快速响应的光谱分析技术,在食品生物胺快速、高灵敏检测中得到了广泛的应用。本文简述了SERS的原理和机制,概述了SERS不同的检测模式以及相应的增敏基底构建,总结了近年来SERS传感技术在食品生物胺检测中的应用,提出了SERS技术在食品生物胺快速检测中存在的问题和不足,并对未来的研究发展方向和应用前景进行了展望。

金-银复合微纳结构制备及高灵敏度表面增强拉曼散射检测

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering,SERS)是一种快速且灵敏度高的分子检测技术。拥有高灵敏的、均匀的拉曼信号是光谱技术的必要因素,同时拉曼衬底结构通常也面临复杂的工艺和高昂的成本。为了实现高性能SERS,本文采用多层金-银(Au-Ag)交替沉积、退火和脱合金技术制备多孔Au-Ag复合纳米结构,该方法能用于大面积制备,且制备工艺简便。通过在合适的温度下退火,可以在Au-Ag复合纳米结构表面形成大量纳米孔。这些纳米孔可以牢固地分布在表面形成热点。利用时域有限差分(Finite-difference Time-domain,FDTD)法模拟电场分布,结果表明在Au-Ag复合纳米结构表面可以产生极大的局域场增强效果。实验结果表明SERS检测具有良好的均匀性和高灵敏度。SERS基底检测罗丹明6G(Rhodamine 6G,R6G)分子的增强因子达到2.4×10~5,相对标准偏差(Relative Standard Deviation,RSD)低至6.9%,对R6G分子的最低检测浓度可达10^(-11) mol/L。所提出的Au-Ag复合纳米结构及其制备工艺在制备高灵敏度的、高均匀性的SERS基底方面具有很大的潜力。

等离激元纳腔的构建及其在表面增强拉曼散射中的应用

表面增强拉曼光谱(SERS)技术由于其高灵敏度、指纹特性和非破坏性等特点,在各领域引起了广泛的关注和应用。金属纳米结构形成的纳米尺寸的间隙(纳腔)作为SERS技术的重要组成部分,其形貌、组成和间距决定了SERS光谱的灵敏性和稳定性。因此,构建高质量的等离激元纳腔备受关注。本文旨在综述纳腔的构建方法及其在SERS中的应用。首先,介绍SERS增强的基本原理;其次,分类讨论制备高灵敏、可调控及均匀纳腔的方法,包括疏水衬底自收缩法、两步光还原法、模板法、自组装法和应变诱导开裂法等;再次,介绍SERS技术在食品安全、环境卫生以及生物医学等领域中的应用;最后,对SERS技术的前景进行展望,指出其在不同领域中的潜在应用价值和挑战。

Ag纳米立方体边长对表面增强拉曼散射强度的影响

利用水热法,通过改变反应温度、反应时间和前驱体浓度等参数成功制备不同边长的Ag纳米立方体,探讨Ag纳米立方体边长对表面增强拉曼散射(SERS)强度的影响。结果表明,随着Ag纳米立方体边长的增加,SERS强度先增大后减小。当Ag纳米立方体边长为75 nm时,SERS强度达到最大值。以75 nm的Ag纳米立方体为SERS衬底,以典型的纺织废水污染物罗丹明B(Rh B)为探针分子,探究SERS强度的变化。结果显示,Rh B溶液的浓度低至10^(-6)mol/L时仍可检测到SERS信号。因此,Ag纳米立方体可以作为一种灵敏度较高的SERS衬底,用于检测低浓度污染物。

表面增强拉曼光谱技术结合机器学习方法在生物医学领域应用的最新进展

近年来,运用表面增强拉曼光谱(SERS)技术对生物样本检测的研究发展十分火热,尤其是结合机器学习方法的SERS技术在临床样本诊断方面的运用日趋成熟。机器学习方法是基于无监督和有监督的算法,可以解决复杂的样本和大量、高维的数据信息,在生物分析领域受到高度关注。本文介绍了SERS技术结合机器学习方法的相关应用,尤其是在生物医学领域。SERS既可以使用免标记的策略检测生物样本的指纹信息,又可以使用标记方法跟踪蛋白质等生物标志物实现间接检测。本文总结了SERS技术结合机器学习方法用于血液、尿液、组织等临床样本进行疾病诊断的最新进展。此外,本文还汇总了细胞样本及其他复杂样本SERS分析中机器学习方法运用的实例。该文综述了这一领域的最新进展,为从事SERS生物分析领域的研究人员提供可借鉴的方案。

表面增强拉曼散射技术在快速检测预包装干米粉中乙二胺四乙酸二钠的应用

利用简单的种子介导法制备Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@AgNPs作为表面增强拉曼散射基底,对预包装干米粉中的微量添加剂——乙二胺四乙酸二钠(ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt,EDTA-2Na)含量进行快速灵敏的检测。通过透射电子显微镜、X射线能谱、X射线衍射、红外光谱以及表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)对Fe3O4@SiO2@AgNPs进行表征,结果显示Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@AgNPs为直径约660 nm,大小均匀,核壳结构的磁性基底,测得罗丹明6G溶液的最低浓度为1×10^(-9)mol/L,增强因子为4.27×10^(8)。以Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@AgNPs为SERS基底对EDTA-2Na溶液进行SERS检测,检出限为1.75×10^(-6)mg/mL,以EDTA-2Na特征峰1 625 cm^(-1)的SERS强度为纵坐标,EDTA-2Na质量浓度的对数为横坐标进行线性回归拟合,结果表明EDTA-2Na质量浓度在1×10^(-5)~1 mg/mL范围内呈现良好的线性关系,R^(2)为0.994。将Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@AgNPs用于预包装干米粉中EDTA-2Na的快速检测,样品检出限为0.1 mg/kg,加标回收率为96.50%~104.67%,相对标准偏差为1.2%~4.2%,说明本方法可准确、灵敏、快速地检测预包装干米粉中是否过量添加EDTA-2Na。

基于COMSOL的柔性表面增强拉曼散射基底研究

为提高表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)基底的性能,采用COMSOL Multiphysics仿真软件通过有限元法对两个相邻的纳米颗粒的模型进行仿真。仿真结果表明,当纳米颗粒半径一定时,增强因子随间距的增大而快速减小;当间距一定时,增强因子随半径的增大而增大,半径达到300 nm后,增强因子趋于稳定,且呈一定的下降趋势。同时,设计并构建了倒圆锥模型的SERS基底,仿真得到其增强因子为2.66×105,相比于倒金字塔模型(增强因子为1.57×105)具有更优异的性能。基于所得到的仿真结果对倒圆锥模型进行优化,银纳米颗粒间距从10 nm依次减小为5 nm,增强因子得到显著提高,极大地提高了表面增强拉曼散射基底的性能。

高度有序ZIF-8/Au纳米复合结构阵列的构筑及其表面增强拉曼光谱的应用

采用气-液界面自组装方式制备得到有序单层聚苯乙烯(PS)微球阵列,以此为模板,采用磁控溅射沉积方法结合热处理技术获得单层六方非密排Au纳米颗粒阵列。随后采用水热法成功制得高度有序ZIF-8/Au纳米复合结构有序阵列。探究了生长机理以及反应温度、反应时间对微观形貌和光学特性的影响,进一步探究了该复合结构阵列作为表面增强拉曼散射(SERS)活性基底的灵敏度和均一性。结果表明:当水热反应温度从25℃升高至100℃时,ZIF-8纳米颗粒的数量逐步增多,同时尺寸随之增大,表面等离激元共振(SPR)峰和衍射峰均发生了红移。当水热反应时间从10 min增至60 min时,ZIF-8纳米颗粒从围绕Au纳米颗粒选择性生长到蔓延至整个材料表面。在样品表面沉积特定厚度的Ag膜后,测得4-氨基苯硫酚(4-ATP)和罗丹明6G(R6G)两种探针分子的检测极限均为10-11mol·L^(-1),4-ATP和R6G的SERS强度与分子溶液浓度呈线性关系,相关系数R2分别为0.9801和0.9844。随机选取10个不同位置测试4-ATP的SERS谱图,得到相对标准偏差(RSD)为8.86%,表明ZIF-8/Au纳米复合结构有序阵列作为SERS基底具有良好的均匀性和稳定性。

纺锤形Ag/TiO_(2)表面增强拉曼光谱基底的制备及其对结晶紫的高效检测

表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman scatting,简称SERS)技术广泛应用于环境中痕量污染物的检测。其灵敏度及稳定性与基底材料的性质密切相关。本文以简单的无模板水热法和随后的原位光沉积路径制备了高稳定的纺锤形Ag/TiO_(2)基底。结果表明,纺锤形Ag/TiO_(2)基底对结晶紫(Crystal violet,简称CV)分子的SERS增强因子(Enhancement factor,简称EF)高达2.43×10^(6),检测限低至1.0×10^(-7) mol/L浓度。这除了TiO_(2)本身对结晶紫的化学增强外,还与金属Ag在光照下的等离激元共振将电子转移到吸附在TiO_(2)表面的分子中密切相关,二者的协同作用使Ag负载后的TiO_(2)基底对结晶紫表现出更高的SERS响应活性。

Au溶胶中咖啡酸分子的表面增强拉曼光谱实验与理论研究

在加热条件下利用氯金酸与柠檬酸钠的还原反应制备出胶体金,并使用拉曼光谱仪测量出咖啡酸(CA)分子常规拉曼散射(NRS)光谱及其吸附在Au纳米颗粒上的表面增强拉曼散射(SERS)光谱。采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,选用6-31+G**基组作为C、H、O的计算基组,选用赝势基组LANL2DZ作为Au的计算基组。首先对体系结构进行优化,并在此基础上计算CA分子的NRS光谱及CA分子与Au纳米颗粒吸附后3种可能模型的SERS光谱。对比分析可知,CA分子上的羧基和羟基共同与Au团簇吸附的构型计算得到的结果与实验数据最符合。接着进一步对CA分子的振动模式进行了详细指认,结果表明,CA分子与Au纳米颗粒是通过CA分子上的羧基和羟基吸附在一起的。最后通过计算CA分子及CA分子与Au纳米颗粒吸附后的分子前线轨道,进一步确定了CA分子在Au溶胶中的吸附方式。

表面增强拉曼散射(SERS)技术在铀酰离子检测方面的研究进展

铀是核工业活动中必不可少的原料之一。它的大量使用引起了人们对铀造成的人类健康和环境污染问题的担忧。鉴于铀在环境中常常以铀酰(VI)离子的形式存在,为了获得铀酰引起的环境污染和核事故污染的相关信息,需要建立对铀酰离子的快速识别与定量分析技术。作为一种能够同时提供铀酰离子含量和结构信息的分析技术,表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)在铀酰离子的快速、高灵敏痕量分析上得到广泛关注与研究。本文总结了SERS技术在铀酰检测方面的研究进展,按照SERS基底类型来分类介绍了各类基底的优缺点,考察了SERS技术检测痕量铀酰离子的可行性。总体而言,SERS技术作为一种新兴的分析技术,在痕量检测、便携性及现场快速检测等方面极具优势,在铀酰离子检测领域的应用前景十分广阔。