表面增强拉曼光谱

关键词： 火灾 认定

表面增强拉曼光谱（精选六篇）

表面增强拉曼光谱 篇1

纸张、塑料、橡胶等材料在日常生活中用途广泛,是火灾现场常见的物证材料。笔者以纸张和橡胶样品为对象,结合表面增强拉曼光谱技术分析汽油、柴油和天那水等助燃剂在燃烧后样品表面的残余物及其影响。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

仪器:TG16-WS台式高速离心机;真空干燥箱;电热恒温鼓风干燥箱;超声波清洗器;A-3S循环水泵;DeltaNu Inspector拉曼光谱仪(美国Delta Nu公司);Cary 100/300紫外-可见光谱仪(美国Varian)。

试剂与材料:氯金酸、甲醇,柠檬酸三钠、对硝基苯酚、乙酸。水为二次去离子水,其他试剂均为分析纯。92#汽油、0#柴油、天那水等。自行车外胎橡胶、报纸等样品。

Au纳米粒子参照文献合成:在200mL去离子水中加入5.0mL、10.0mmol/L HAuCl4溶液,在剧烈搅拌下加热至沸,快速加入1.2mL质量分数1%的柠檬酸钠溶液,保持沸腾40 min,搅拌冷却至室温。所制备的纳米Au溶液的紫外吸收波长为532nm,粒径为55nm。

1.2 样品制备

橡胶样品:将橡胶样品切成10cm见方,置于长宽约30cm的玻璃或瓷砖表面;橡胶表面滴加助燃剂约5mL,点燃燃烧2min后扑灭,收集残余橡胶用于SERS分析。

纸张样品:将纸张撕成10cm见方,置于1 000 mL烧杯或玻璃板上;滴加约3mL助燃剂,点燃,待纸张燃烧一半后扑灭,收集残余纸张及灰烬用于SERS分析。

1.3 拉曼检测条件

拉曼检测参数:Laser Power=60 mW;Integration Time=1s;Referencing Mode=Software;Number of Spectra to Acquire=3;Display=Average;Resolution=Low;Baseline=No。

2 结果与讨论

2.1 汽油与不同样品共同燃烧后的残余物分析

在实际的火灾现场,通常会存在纸张如报纸、包装纸,塑料或橡胶等物品。汽油等助燃剂引发的火灾,通常容易在这些物品表层吸附助燃剂残余物。因此,笔者选择纸张和橡胶与汽油一起燃烧,然后采用合成的AuNPs作为拉曼增强剂,对纸张和橡胶表面汽油残余物进行表面增强激光拉曼光谱分析。图1给出了纸张(A)和橡胶(B)在燃烧前后的SERS拉曼谱图。

图1 汽油燃烧前(a)后(b)纸张(A)和橡胶(B)样品的SERS谱图

结果表明,采用金纳米粒子进行增强以后,在经汽油燃烧后的纸张和橡胶表面都能看到1 300~1 600cm-1对应的增强谱峰。相比较而言,由于纸张的纤维基底相对简单,因此汽油在纸张表面表现出的拉曼谱峰相对较少,但谱峰强度较大;而对橡胶基底来说,由于橡胶本身具有一定的增强拉曼吸收,且橡胶基底的吸附能力相对纸张较差,因而汽油残余物的增强拉曼峰较纸张材料的弱,但也能明显看到燃烧前后汽油残余物的增强拉曼信号峰。因此,采用表面增强拉曼光谱有望在纸张、橡胶等火场物证助燃剂分析中得到应用。

2.2 燃烧后样品不同采集点的残余物拉曼光谱分析

在实际的火灾现场,选择合适的现场物证以及选择合适的分析部位对物证分析具有重要的影响。笔者选择纸张和橡胶燃烧过程中不同部位点进行SERS分析,研究采样点对残余物拉曼光谱的影响,图2给出了燃烧后纸张的不同部位汽油残余物的SERS分析结果。a为空白;b为灰烬;c为炭化;d为过渡区;e为烘黄;f为未燃烧。其中,b~f对应样品上相应点位。

图2 纸张样品经汽油燃烧后不同采样点的SERS结果

相比较而言,燃烧后纸张的灰烬和过渡区的残留物增强拉曼信号较强。这可能与纸张燃烧后的灰烬和紧邻灰烬的过渡区具有较好的吸附性能,同时简单的灰烬(炭灰)拉曼本底较弱有关。因此,后续分析的样品部位首选灰烬和过渡区。

一般来说,火灾中纸张容易着火和燃尽,塑料、橡胶等材料不容易完全燃烧。多数情况下,橡胶表面会部分着火燃烧成灰,逐步过渡到部分炭化、变脆和不燃烧。图3给出了经汽油燃烧后橡胶样品不同部位的SERS分析结果。a为空白;b为炭化;c为未燃烧;d为部分炭化;e为灰烬;f为过渡区;b~f对应样品上相应点位。与纸张样品不同的是,橡胶过渡区和部分炭化部分的汽油残余物拉曼信号较强,更适合进行分析。

图3 橡胶样品经汽油燃烧后不同采样点的SERS结果

2.3 不同助燃剂残余物的拉曼光谱分析

常用的助燃剂不仅只是汽油,柴油、天那水(乙酸异戊酯)等也是火灾现场常见的助燃剂。能否检出和确定助燃剂是火灾物证分析的重要内容。图4给出了汽油、柴油和天那水燃烧后,纸张和橡胶样品的增强拉曼对比结果(a为汽油,b为柴油,c为天那水)。

结果表明,对纸张样品天那水的化学组成较简单。在简单的纸质基底上,其增强拉曼光谱信号也比较简单;而汽油和柴油的增强拉曼光谱图较为类似,但因为汽油和柴油化学组成烃类化合物的分子量差异较大,因此表现为纸质样品表面的助燃剂燃烧残余物拉曼信号也有一定的差异。相对而言,柴油的拉曼信号更复杂些。对橡胶样品而言,橡胶基底不易燃烧完全,基底本身具有一定的拉曼吸收。因此,汽油、柴油和天那水在橡胶基底中的残余物拉曼光谱图有点类似。但仍可明显分辨出不同助燃剂残余物拉曼信号之间的差异。

图4 不同助燃剂残余物在纸张(A)和橡胶(B)表面的SERS分析结果

2.4 实际样品中助燃剂残余物的拉曼光谱分析

通过分析多份模拟纸张(报纸等)和橡胶(自行车轮胎等)样品在添加汽油、柴油等助燃剂燃烧后的样品,发现采用表面拉曼增强光谱法可以鉴定和鉴别主要的助燃剂及其种类,为后续方法在实际火灾物证分析中提供了良好的方法。

3 结论

采用表面增强拉曼光谱研究了火灾模拟样品纸张和橡胶表面汽油等助燃剂残余物。结果表明,纸张和橡胶样品经助燃剂燃烧前后具有明显的增强拉曼信号差,且这种差异受样品分析位点影响;不同助燃剂在不同样品表面残余物表现出有差异的增强拉曼信号。该方法有望用于火灾物证中助燃剂及其种类的鉴定分析,为火灾成因分析等提供技术参考。

参考文献

[1]Sandercock PML.Fire investigation and ignitable liquid residue analysis-A review:2001-2007[J].Forensic Sci.Int.,2008,176:93-110.

[2]Darrer M,Jacquemet-Papilloud J,Delemont O.Gasoline on hands:Preliminary study on collection and persistence[J].Forensic Sci.Int.,2008,176:171-178.

[3]刘博伟,张健,文玉秀,等.质谱技术在火灾物证鉴定中的应用[J].武警学院学报,2009,(2):79-80.

[4]王立南,韩雷.FTIR法在微量物证检验中的应用[J].辽宁警专学报,2013,(5):57-60.

[5]刁中文,邢若葵,王松才.自动热脱附气相色谱-质谱法分析火场助燃剂汽油成分[J].刑事技术,2008,(5):10-12.

[6]Gonzalez Rodriguez J,Sissons N,Robinson S.Fire debris analysis by Raman spectroscopy and chemometrics[J].J.Anal.App.Pyrol.,2011,91:210-218.

[7]Li JF,Huang YF,Ding Y,et al.Shell-isolated nanoparticle-enhanced raman spectroscopy[J].Nature,2010,464,392.

表面增强拉曼光谱 篇2

银纳米颗粒的合成与表面增强拉曼光谱

采用传统水热法制备出尺寸单一的银纳米颗粒,其反应机理基于相转移和相分离机制.银纳米颗粒的乙醇溶液通过甩胶处理涂抹在清洗后的硅片表面.Rhodamine 6G分子被用为检测分子,发现该材料为具有表面增强拉曼散射活性的`衬底材料,其较大的增强因子可归结为金属颗粒耦合增强机制.

作 者：沈剑沧 SHEN Jian-cang 作者单位：南京大学,物理学系,固体微结构物理国家重点实验室,江苏,南京,210093刊 名：兰州大学学报(自然科学版) ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF LANZHOU UNIVERSITY(NATURAL SCIENCES)年，卷(期)：43(5)分类号：O657.3关键词：银纳米颗粒 水热法 表面增强拉曼光谱

表面增强拉曼光谱 篇3

物证鉴定是认定火灾原因最直接有效的证据,其鉴定方法已逐渐由传统经验认定转向火灾物证技术鉴定。木材等材料是火灾现场常见的物证材料,笔者以不同木材样品为对象,结合IR分析汽油、柴油和天那水等助燃剂在燃烧后样品表面的残留物,并对比了IR与SERS两种方法的优劣。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

仪器:Nicolet-6700 傅里叶红外光谱仪;电热恒温鼓风干燥箱;Delta Nu Inspector拉曼光谱仪;Cary 100/300 紫外-可见光谱仪。

试剂与材料:氯金酸、甲醇、柠檬酸三钠、对硝基苯酚、乙酸。水为二次去离子水,其他试剂均为分析纯。92#汽油、0#柴油、天那水和木材(黑板材、黄板材和木板)样品等由广东省消防科学技术重点实验室提供。

Au纳米粒子参照文献合成,粒径约55nm。

1.2 样品制备

木材样品制备。将木材样品切成10cm见方,置于长宽约30cm的玻璃或瓷砖表面;木材表面滴加助燃剂约5mL,点燃2min后扑灭,收集残余木材。典型木材燃烧前后及其采样位点,如图1所示。

1.3 检测条件

IR检测。采用KBr压片法制备样品。光谱采集范围4 000~400cm-1,分辨率8cm-1,累计扫描次数32次。在室温下采集所有样本的光谱,并扣除空白及CO2的干扰,所有样品重复检测3次。

SERS检测。激光光源60mW;积分时间1s;参考模式为软件自带;光谱扫描次数3次;显示为Average档;分辨率选择Low档;基线不自动调整。

2 结果与讨论

2.1 木材样品经汽油燃烧后残留物的IR分析

木材是常用的建筑材料,也是火灾现场重要的物证材料之一。由汽油等助燃剂引发的火灾,在各种木制品表层会留有吸附的助燃剂。因此,笔者选择不同木材样品如黑板材、黄板材(均为压制三合板材,表面光滑)和实木木板(杉木)等与汽油一起燃烧,采用IR光谱分析样品表面的汽油残留物成分,结果见图2所示。

结果表明,经与汽油燃烧后,所有板材表面均出现了与汽油谱峰一致的强吸收峰,分别位于880、1 080、1 620、1 800cm-1等位置,主要对应于汽油燃烧后的含氧化合物振动峰。其中,黑板材和黄板材在1 000~1 700cm-1区间内的IR谱峰比实木木材的谱峰复杂很多,但实木木材的IR谱峰更为清晰。可能是因为黑板材和黄板材为三合板,表面光滑吸附较小,且经过工业加工,可能会引入一些有机物杂质;而实木木板的吸附量较大,空白背景相对简单,因此IR谱峰强度较大。各种木材表面能看到明显的汽油残留物IR谱峰,这与其他相关文献报道一致。

2.2 样品燃烧后不同助燃剂残留物的IR光谱分析

汽油、柴油和天那水等均是火灾现场常见的助燃剂。能否检出和确定助燃剂种类是火灾物证分析的重要内容。图3为实木木板分别经汽油、柴油和天那水燃烧后,木板表面助燃剂残留物的IR光谱图。

(a木板空白;b天那水;c柴油;d汽油)

结果表明,天那水主要由乙酸异戊酯组成,燃烧后的木材样品在1 000~1 700cm-1可以清晰地观察到亚甲基(1 100、1 400cm-1)、酯基(1 700cm-1)等官能团的IR信号;汽油和柴油化学组成均为烃类化合物,但它们的分子量差异较大。在IR谱图上,样品表面的短链烃类汽油残留物表现出较强的亚甲基和甲基官能团信号(1 400、2 900cm-1),而柴油残留物在1 000~1 200cm-1范围内出现了较多的CH面内和面外伸缩和弯曲振动峰。相比较而言,汽油残留物主要IR谱峰出现在1 400~1 600cm-1区间段,柴油主要IR谱峰出现在1 000~1 200cm-1区间段,而天那水残留物的谱峰相对较为简单。

2.3 样品燃烧后助燃剂残留物的SERS光谱分析

从原理上分析,当分子的振动能产生偶极矩的变化时,该分子具有良好的红外活性;而这种振动产生极化度变化时,分子具有良好的拉曼活性。因此,红外光谱和拉曼光谱具有良好的互补性。同红外光谱一样,拉曼光谱也可以检测物质分子的振动和转动能级,用于化合物的定性定量分析。

笔者采用表面增强拉曼光谱分析汽油在实木木板燃烧后的表面残留物,结果如图4所示。结果表明,与红外光谱谱峰相比,汽油残留物的拉曼响应相对较小,这主要是烷烃等饱和烃类拉曼活性较低而红外活性较高所致;汽油残留物在1 500cm-1附近有较强的拉曼信号响应,这与其红外谱图基本一致,与汽油残留物在纸张或橡胶等其他材料表面残留分析的数据也基本一致。此外,在400~600cm-1的拉曼信号明显强于红外信号,这是拉曼光谱的优势。因此,可以结合红外和拉曼两种光谱手段的互补性,用于火场物证分析鉴定。

(a空白;b汽油燃烧后样品)

2.4 实际样品中助燃剂残留物的拉曼光谱分析

通过分析多份经汽油、柴油等助燃剂模拟燃烧后的木材样品,发现采用红外光谱和表面拉曼增强光谱法的结果互补性较强,可以鉴定和鉴别主要的助燃剂种类,为后续实际火灾物证分析提供了良好的方法。

3 结论

采用红外光谱研究了实木、板材火灾模拟样品表面的汽油等助燃剂残留物。结果表明,各种木材表面助燃剂残留均表现出较强的红外信号,这种红外谱图差异与助燃剂种类相关;汽油在木材表面残留物的红外光谱及拉曼光谱具有较好的互补性和一致性。因此,结合红外光谱和拉曼光谱分析,有望为火灾物证中助燃剂及种类的鉴定、火灾成因分析等提供技术参考。

摘要：采用红外光谱分析了不同木材燃烧后样品表面的助燃剂残留物,并与其表面增强拉曼光谱分析结果进行对比。结果表明:各种木材表面助燃剂残留均表现出较强的红外信号;与红外光谱谱峰相比,汽油残留物的拉曼响应相对较小;两种方法均能部分鉴定和鉴别木材中的汽油、柴油和天那水等助燃剂,结果基本一致,有助于在火灾物证鉴定中得到较好的互补应用。

关键词：红外光谱,表面增强拉曼光谱,助燃剂,残留物,火灾调查

参考文献

[1]王立南,韩雷.FTIR法在微量物证检验中的应用[J].辽宁警专学报,2013,15(3):57-60.

[2]冯计民.红外光谱在微量物证分析中的应用[M].北京:化学工业出版社,2010.

[3]秦俊,林霖,廖光煊.用红外热成像方法研究纸板表明火蔓延特性[J].红外技术,2003,25(3):49-54.

[4]Gonzalez-Rodriguez J,Sissons N,Robinson S.Fire debris analysis by Raman spectroscopy and chemometrics[J].J.Anal.App.Pyrol.,2011,91(1):210-218.

[5]Li J F,Huang Y F,Ding Y,et al.Shell-isolated nanoparticle-enhanced raman spectroscopy[J].Nature,2010,464,392,395.

[6]张小宏,邓玉梅,曹玉娟,等.表面增强拉曼光谱分析纸张和橡胶中的助燃剂残留物[J].消防科学与技术,2015,34(4):549-552.

[7]刁中文,邢若葵,王松才.自动热脱附气相色谱-质谱法分析火场助燃剂汽油成分[J].刑事技术,2008,33(5):10-12.

表面增强拉曼光谱 篇4

合适的基底是获得良好表面增强效果的前提。SERS基底的制备在SERS发展中有着重要的地位, 一直以来都是SERS研究领域的热点之一。本文制备了银溶胶活性基底。

二、实验

1. 溶胶基底的制备:

将0.06g的硝酸银加到300mL去离子水中后, 在电炉上加热到100℃, 然后将质量分数为1%的柠檬酸三钠水溶液2mL逐滴加入到上述溶液中, 同时搅拌15分钟左右。冷却至室温。得到了黄褐色的银溶胶, 这种方法制得的银溶胶比较稳定, 存放数周后仍然有比较好的表面增强拉曼散射效果。可以看出随着反应时间的变化, 溶胶的最大吸收峰由421nm逐渐移向455nm。

2. 引入探针分子罗丹明B, 观察其与不同浓度溶液混合后的表面增强拉曼光谱如图 (2) (3) 所示:

三、结果与分析

罗丹明B在银溶胶中吸附取向的研究

图2、图3为罗丹明B在银溶胶中的表面增强拉曼光谱, 由于实验所用的激发波长为短波长, 荧光背景强于拉曼信号, 甚至淹没拉曼信号, 拉曼信号包裹在荧光信号中, 所以得到罗丹明B的拉曼谱中谱峰很弱, 但我们可以看到其在银溶胶表面的SERS效应。根据图3, 对于它的拉曼峰的频移、指认在表1中。

Note:Bend弯曲振动;strech伸缩振动

表1所示的1644cm-1被认为是与苯环相关的C=C双键伸缩振动, 232cm-1是Ag2N键的振动引起的;同时, 引起关注的773-780.09cm-1被认为是由于C-H键振动引起的, 1183-1193.70cm-1处尖峰的认为是苯环面内外的变形振动引起的。

根据Moskovits提出的表面选择定律理论, 可以通过SERS谱图进行分析判断吸附分子的表面取向。表面选择定则认为, 垂直于基体表面的振动谱峰能得到很大的增强, 而平行于基体表面的振动谱峰增强较小, 从图3及表1的数据我们可以看到, 这符合物理机制。

摘要：表面增强拉曼散射光谱 (SERS) 具有较高的灵敏度, 能检测吸附到金属表面分子的表面现象, 又能给出丰富的分子结构信息。本文选用罗丹明B做为探针分子, 测定出了其在银溶胶中的表面增强拉曼散射光谱。利用表面增强拉曼散射技术研究了罗丹明B的SERS谱, 对它的拉曼峰进行了指认。

表面增强拉曼光谱 篇5

1 SERS技术概述

1928年, 印度物理学家Raman在研究中发现了拉曼散射的存在, 此后研究人员对这一技术做了深入的研究, 但是因为光源的限制使该技术未能得到广泛应用。直到60年代激光问世后, 拉曼光谱信号弱的弱点才被彻底攻克, 拉曼光谱如虎添翼得到了长足的发展, 使其广泛应用于科学研究之中, 自此之后激光光源也一直都是拉曼光谱的理想光源。直到1974年, 英国科学家Fleischmann在研究吡啶的拉曼光谱时才发现通过某种方式是可以增强待测物的拉曼信号的, 但是他们并没有进一步探讨其增强机制。SERS技术的真正发现还要追溯到1977年, 这一年, Van Duyne和Jeanmaire[5,6,7]等系统地研究了与Fleischmann研究小组相同的体系后, 才发现吸附在粗糙Ag表面上的吡啶的拉曼散射信号与溶液相中的同数量的吡啶拉曼散射信号相比, 增强了约6个数量级, 正是这一发现之后人们才把这一增强现象称为SERS。

1.1 SERS技术的原理

关于SERS的机制, 主要有电磁增强和化学增强2种理论模型, 下面我们借助以下方程对SERS机制进行简略的解释。

式中:P代表感生偶极矩, α代表分子极化度, E代表入射电场强度, 则拉曼散射强度 (I) 和感生偶极矩 (P) 的平方成正比, 即

电磁增强机制可以用金属表面的等离子共振现象来解释, 表面等离子是由金属表面上的传导带电子的振动引起的。在表面等离子的共振频率下, 传导带电子易于移动, 并且可以在局部电场中产生剧烈振动。表面等离子的振动频率极大地取决于颗粒的表面形态 (颗粒的大小和形状) 、金属的导电性能以及入射光的波长等参数。金属表面的电磁感应强度遵循1/r3函数呈递减趋势。化学增强主要归因于待测物和金属表面之间形成的联接物, 这层联接物使得电荷可以从金属表面传递到被吸附分子上, 正是这一电荷传递作用使得分子的分子极化度得以增强。这2种作用机制都能在一定条件下成功解释了SERS效应, 但是, SERS的产生是一个复杂过程, 普遍适用理论还需进一步研究。

1.2 SERS技术的优点

但是SERS机制解释的不完善性并没有影响SERS技术在材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域中的广泛应用。现在, 人们对SERS已有了一定程度的认识, SERS有以下优点: (1) 大多数分子都能产生SERS效应, 但是只有在少数几种基底上, 如Ag、Cu、Au、Li、Na、K等的表面上产生增强效果。 (2) 高灵敏度, 可进行单分子检测; (3) SERS效应与基底的粗糙度有密切关系, 金属表面的粗糙化是产生SERS的必要条件; (4) 对样品的形态要求较为宽松, 可以省去重复乏味的样品准备环节, 即可以在气态、液态和固态下进行检测; (5) 可实现无损快速检测, 测量中选用光纤探头, 不会对样品造成任何损伤, 适合于对稀有或珍贵的样品进行分析; (6) 高选择性, 选择强SERS活性的染色剂分子作为拉曼标签分子就可以高选择性地突出目标分析物; (7) 可以实现水环境中样品的检测, 因为水的拉曼散射很微弱, 因此, 可以用于水溶液样品的测定而无需考虑水分子振动的影响, 比较适合于生物样品的测定, 如细胞的活体组织、DNA、RNA以及蛋白质等。总之SERS技术在分析中的主要优势在于提高了灵敏度和表面特异性, 并通过金属纳米颗粒促进了荧光猝灭;此外, SERS信号峰比荧光检测中的荧光光谱带要窄得多, 所以可以用SERS技术实现对多种待测组分的同时检测。

2 SERS技术在癌症检测中的应用进展

2.1 人体组织的SERS检测研究进展

人体组织在拉曼测试中通常容易产生较强的荧光, 而拉曼散射的信号非常弱, 很容易被荧光淹没;同时, 人体组织很有可能在检测过程中已经遭到破坏、变性, 无法真实地反映组织原有特性, 这给检测鉴别带来困难。而SERS技术可以通过金属纳米颗粒促进荧光猝灭, 且SERS活性基底可以直接滴加在切片组织的表面, 或者与经过粉碎处理过的组织样品直接混合就可以获得很好的SERS信号[8,9]。

刘燕楠等[10]采用共聚焦显微拉曼光谱, 将盛有肺癌及正常组织的样品和银胶的小池内放置在物镜下进行了SERS探测, 对比分析了肺癌与正常组织的特点和差异, 发现与正常肺组织相比, 癌变组织中蛋白质主链中酰胺Ⅰ和Ⅲ的有序构象减少, 而核酸的脱氧核糖、碱基、骨架磷酸基团等均呈现出增加的趋势。

2008年, Plnzaru等[11]以银胶作为增强基底对正常及结肠癌上皮组织切片的不同位置进行了SERS检测。对比癌变与正常结肠组织的光谱差异, 发现癌变组织在多处波数位的峰强较正常组织有显著增加, 这些峰主要归属为癌症组织中的DNA/RNA碱基及组氨酸、苯丙氨酸;而归属于蛋白质和脂类的谱峰几近消失, 这说明相比正常结肠组织, 癌变组织中DNA含量较高, 而蛋白质和脂类的含量均较低。

2009年Feng等[9]以金胶作为增强基底对正常和癌变的鼻咽组织进行了SERS检测。发现利用SERS成像技术可清晰地看到正常组织蛋白质的含量比癌变组织高, 而DNA/RNA的含量比癌变组织低。2011年, 该研究小组又以银胶作为增强基底对甲状腺癌组织切片进行了SERS研究[12]。该研究发现甲状腺癌在563、1 449和1 587 cm比正常组织低, 1 004、1 128 cm仅出现在正常组织中, 而1 294 cm仅出现在甲状腺癌组织中, 且利用强度的对比, 可以有效地区分甲状腺癌变和正常组织。

2.2 体液的SERS检测研究进展

在肿瘤发生、发展过程中, 由于癌变组织或细胞的癌基因的异常表达必然产生某种生物活性物质, 这些活性物质包括特征性抗原和分泌物等, 它们主要存在于患者的癌变组织和体液中。这样的话, 我们就可以采用拉曼光谱检测仪对被检体液进行扫描, 从而反映出不同组成的检测物呈现不同特征的散射光谱。癌症种类不同, 患者机体内有关物质的改变状况也不会相同, 这就必然导致不同癌症患者体液的激光拉曼光谱的差异[5]。拉曼光谱的这些指纹特性可以作为癌症患者的早期诊断的依据。见报道的主要有唾液和血液的SERS检测。

唾液能够提供人体健康状况的某些信息, 已经用于多种疾病的诊断。既然体液中含有在肿瘤发生、发展过程中产生的生物活性物质, 而唾液作为体液的一种, 我们对唾液进行SERS检测必然可以判断出肿瘤的存在与否。2012年, 李晓舟等[13]以微波炉加热的银胶作为SERS基底对21例肺癌患者和22例正常人的唾液进行了SERS检测和区分。

血液能够提供的人体健康状况信息比唾液更加丰富, 因此血液表面增强拉曼光谱可以用于分析癌症患者与健康人血液之间存在的某些特定的生化成分差异。Feng等[14]以盐酸羟胺还原的银纳米粒子作为SERS基底对43个鼻咽癌患者和33个正常人的血浆进行SERS检测和区分。研究中通过对比研究发现鼻咽癌患者血浆中的核酸、胶原、磷脂以及苯丙氨酸的相对含量较正常人有所增加, 而其血浆中氨基酸和糖类的含量则比正常人的低。同时, Lin等[15]以金胶为增强基底对38个结肠癌患者和45个正常人的血清进行了SERS检测和区分。这些研究, 初步表明了应用多变量统计方法对正常和癌变的血清的SERS光谱进行分析鉴别是目前SERS在生物医学领域的一个重要发展方向。

2.3生物分子的SERS检测研究进展

基于SERS技术的免疫检测方法是一种具有良好发展前景的检测方法, 该方法将SERS与标记免疫学相结合, 运用偶联有抗体的金属纳米颗粒作为SERS基底, 可以实现高速、高敏感的检测。其中最流行的一种技术是以典型的三明治免疫复合结构作为SERS基底进行免疫测定的, 首先在基底上固定抗体, 然后加入抗原和偶联抗体的拉曼探针, 这样就在基底上形成了“固相抗体—待测抗原—标记抗体”三明治结构的免疫复合体, 通过对标记分子SERS信号的识别进行免疫分析。

自然界中大多数的生物分子, 特别是生物体内各种微量物质, 如蛋白质、核酸、神经递质、细胞表而抗原、肿瘤标志物等本身不具备SERS活性, 因此要在具有大量不同分子、复杂的生物环境中检测到这些极低浓度物质的拉曼光谱信号相当困难。然而, 人们发现青色素、 (4-MBA) 、 (R6G) 染料等这些分子具有高度的SERS活性, 能够在极低浓度下检测到高强度SERS信号。我们可以选用这些具有强SERS活性的染色剂分子作为拉曼标签分子来高强度、高特异性地突出目标分析物, 使我们能更容易地探测到SERS活性很低的生物分子。

1994年, Vo-Dinh等[16]人首次报道了基于SERS标记的基因探针。自此之后, 国内外围绕这一技术做了大量有意义的研究, 使该技术得到了迅速的发展。2011年, Virga等[17]应用固定寡肽的SERS分析证实了氨基酸序列的选择性识别能力。该研究小组把用浸镀法制备的银纳米粒吸附在介孔硅底片上用作SERS基底, 再通过化学方法在银纳米粒上吸附CGIYRLRS肽, 作为特定单克隆抗体的诱导剂, 通过一个特定的抗体, 应用固定寡肽的SERS分析以证实氨基酸序列的选择性识别能力, 检测结果显示振动指纹中含有肽抗体的特征峰, 说明纳米结构的化学选择性和目标分析物的一致。同年, Maiti等借助SERS纳米标签成功实现了对多种肿瘤细胞的同时检测[18]。该研究小组结合硫辛酸衍生染色剂 (Cy3LA) 、 (Cy5LA) 和三苯基拉曼标记物 (B2LA) 制备SERS纳米标签, 然后在2种不同肿瘤细胞上偶联这种纳米标签而实现了对这2种肿瘤细胞的特异性识别。这一研究借助特殊制备的SERS纳米标签成功实现了对多种肿瘤细胞的同时检测。之后, 该研究小组又以硫辛酸为连接物衍生近红外活性染色剂 (Cy NAMLA) , 并用化学的方法把他们偶联在金纳米粒上[19]。Cy NAMLA具有极强的拉曼强度, 挑选具有高度稳定信号的Cy NAMLA-381作为NIR SERS标记分子。制备Cy NAMLA-381-Au NPs复合物基底, 然后在Cy NAMLA-381-Au NPs基底上偶联单链anti-HER2抗体制备高灵敏度的SERS探针用于检测机体内的肿瘤。通过拉曼和暗场显微镜检测发现, 这种纳米标签对HER2阳性的癌细胞具有高度的SERS敏感性和选择性。将该SERS纳米标签分别应用于HER2-阳性/HER2-阴性移植肿瘤模型, 对比发现其具有高灵敏度和高度的肿瘤选择性。这一研究证实了该SERS纳米标签具有开发成无创性诊断工具的潜力, 同时也为肿瘤生物影像的SERS探针发展打开了一扇窗户。2012年, 该研究小组又报道了以SERS为基础的新型光子晶体光纤传感平台, 用于超高灵敏度地检测极微量样品中的肿瘤蛋白[20]。在金纳米粒上固定高活性的拉曼分子制成SERS纳米标签, 再在anti-EGFR (epidermal growth factor, EGFR) 抗体上偶联SERS纳米标签用于实现肿瘤蛋白的高灵敏度检测。该方法可以检测到低至10 nl样品中100 pg的蛋白。这一研究首次把高灵敏度的蛋白检测方法引入到疾病早期检测中。之后, 该研究小组合成多种特异性强、生物兼容性好的SERS纳米标签用于实现体内多种目标物质的同时检测[21]。以硫辛酸为连接物衍生近红外染色剂Cy7和Cy7.5形成2个新的拉曼标记物Cy7LA和Cy7.5LA, 并用化学的方法把他们偶联在金纳米粒上, 然后用牛血清白蛋白 (bovine serum albumin, BSA) 封装。将这3个BSA封装的纳米标签通过尾静脉注射进小鼠体内。这些纳米标签会被网状内皮系统上的肝巨噬细胞吸附而后在通过肝脏排泄, 5 h后在小鼠表皮上进行SERS检测, 发现3种纳米标签的对应标志峰。用Cy7LA和Cy7.5LA偶联单克隆抗体anti-EGFR作为阳性对照, 用Cy NAMLA-381偶联anti-HER2抗体作为阴性对照。将这3等份纳米标签通过尾静脉注射进小鼠体内5 h后在肿瘤位置处进行SERS检测, 发现在Cy NAMLA-381的标志峰消失, 在小鼠其他部位, 如上背部中观察到SERS信号, 说明Cy7LA和Cy7.5LA偶联单克隆抗体anti-EGFR后和肿瘤细胞发生了特异性结合。这一研究首次成功应用SERS纳米标签实现活体内多种目标物质的同时检测。同年, Granger等[22]应用SERS技术实现了对胰腺肿瘤的高灵敏检测。该研究小组通过在镀金玻片上固定用金纳米粒标记的抗体, 设计制作了一种胰腺肿瘤 (PA) 肿瘤标记物免疫检测序列, 配合SERS技术可以高灵敏地检测PA。实验得到:检测限MMP-7为2.28pg/ml, CA19-9为34.5 pg/ml;而 (ELISA) 的检测限MMP-7为31.8 pg/ml, CA19-9为987 pg/ml。表明应用SERS免疫检测序列技术作为PA的早期诊断是可能的, 该技术对MMP-7和CA19-9的检测限比之前发现的ELISA技术要低, 且灵敏度更高。

综上所述, SERS免疫检测技术无论是在肿瘤确诊, 还是在判断预后、监控治疗反应等方面都显现出独特的优势及巨大的潜能。随着纳米基底的稳定性、特异性、灵敏度及活性不断地提高, 以及SERS快速成像技术的应用, SERS免疫检测技术有可能成为一种方便、快速、准确的肿瘤检测手段, 为临床服务。

3 结语

综上所述, 基于非弹性散射的SERS技术可以在分子水平上探测物质结构, 具有极高的检测灵敏度, 可实现单分子检测, 已经被逐步应用于生物医学领域并成为国际上的热点研究问题。SERS标记免疫检测除了具有传统的标记免疫检测技术的特异性之外, 还具有简便、快速、灵敏度高、适于多组分分析等优点。正由于其灵敏度更高、操作更简便、可进行多组分标记等原因, SERS标记免疫检测已成为SERS技术在生物医学中最热门的研究方向, 可实现核酸的检测、血液及组织中蛋白质表达的分析、循环肿瘤细胞的检测以及活体肿瘤的靶向检测等。总之, 随着SERS基底的不断改进, SERS技术在生物医学和癌症早期检测中必将得到越来越广泛的应用。

摘要：表面增强拉曼散射 (surface-enhanced Raman scattering, SERS) 技术是鉴定生物分子种类的工具之一, 具有灵敏度高、特异性强、稳定性好及检测条件温和等优点。该文以SERS的概念及其原理为出发点, 介绍SERS的形成、特点和检测意义;着重从人体组织检测、体液检测、生物大分子检测等3个方面综述SERS在肿瘤检测中的应用进展。

表面增强拉曼光谱 篇6

石墨型氮化碳(g-C3N4)具有高稳定性、易于制备、成本低、无毒等优点,可应用于光电器件、催化和化学传感器等领域[6,7,8,9,10,11]。作为一种在许多应用中很有前途的材料,金属纳米粒子/g-C3N4复合材料得到了广泛研究。例如,Cheng课题组[12]已经制备了Au纳米粒子和g-C3N4的复合材料,并将其应用作为催化剂,展现了增强的可见光催化活性。Chen等[13]制备的Au/g-C3N4复合材料则具有稳定的阴极电化学发光活性。而将金属纳米粒/g-C3N4纳米复合材料应用作为SERS基底检测重金属离子还鲜有报道。本研究在g-C3N4表面上通过柠檬酸钠化学还原法负载Au颗粒,获得Au/g-C3N4纳米复合材料,进而考察其作为SERS基底检测重金属离子的可行性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂:双氰胺,氯金酸,硫酸、重铬酸钾和柠檬酸钠,均为分析纯,国药集团上海化学试剂有限公司。仪器:傅里叶红外光谱仪(TENSOR27),布鲁克公司;X射线衍射仪(LabX-6000),岛津公司;紫外-可见-近红外光谱仪(Lamda-900),荷兰Avantes公司;扫描式电子显微镜(Sirion 200),日本电子株式会社。

1.2 Au/g-C3N4纳米复合物的制备

根据文献[14]合成g-C3N4。Au/g-C3N4纳米复合物的制备如下:将2mL(0.01mol/L)的氯金酸加入到20mL超声处理的氮化碳溶液中,超声10min,搅拌30min,这个过程重复3次。再在90℃条件下加入6mL 1%(wt,质量分数,下同)的柠檬酸钠,搅拌10min后离心、洗涤。

1.3 拉曼检测

分别配置1×10-3mol/L氯化钴、氯化镉、硝酸锌和硫酸铜溶液,然后将SERS基底放入不同溶液中,浸泡40min后取出,晾干。拉曼检测在Renishaw 1000model上进行。

2 结果与讨论

利用XRD、FT-IR、SEM和紫外可见光谱对Au/g-C3N4纳米复合物进行表征,见图1。图1(a)为Au/g-C3N4纳米复合物的SEM图,纳米Au均匀地负载在g-C3N4表面。从图1(b)中可看出,Au纳米粒子分布均匀,平均尺寸为25nm。Au纳米粒子在g-C3N4表面上的分布密度和颗粒尺寸可通过调节氯金酸的浓度加以控制。

图2(a)-1是Au/g-C3N4纳米复合物的XRD图。其至少有3个峰,在衍射角2θ为在27.5°处是g-C3N4的特征峰[图2(a)-2],在2θ为38.1°、44.4°的衍射峰,分别对应于Au的(111)、(200)晶面[13],确认为Au/g-C3N4纳米复合物。

图2(b)-1是Au/g-C3N4纳米复合物的紫外可见光谱图,与g-C3N4相比[图2(b)-2],在550nm处出现一个新峰,这为Au的表面等离子共振键[12],这也进一步证实为Au/g-C3N4纳米复合物。

图3(a)-1是Au/g-C3N4纳米复合物的红外谱图。对比图3(a)-2,发现表征C—N芳环伸缩振动的1639cm-1处的吸收峰的相对强度变强了,而表征C—N环的面外伸展振动807cm-1处的吸收峰变弱了[14],表明Au与g-C3N4间存在相互作用。

我们常用拉曼光谱表征样品的拉曼增强信号[15]。图3(b)-1为g-C3N4的拉曼光谱,其没有明显的表面增强拉曼散射峰。当金纳米粒子沉积后,拉面信号与空白基质的对比增强,这表明Au纳米粒子具有良好的表面增强拉曼散射效应[图3(b)-2]。

把Au/g-C3N4纳米复合物用于检测溶液中的Co2+,Cd2+,Zn2+和Cu2+离子。在图4中,发现与图3(b)-2相比,不管是在Co2+,Cd2+,Zn2+还是Cu2+离子存在下,其Au/gC3N4纳米复合物的拉曼增强信号都变弱了。减弱的原因可能在于Au与重金属离子对g-C3N4竞争作用的结构。从红外分析图3(a)中可知,Au与g-C3N4间存在相互作用。而实际上Co2+,Cd2+,Zn2+和Cu2+离子也可以与g-C3N4结构中的/—NH—基团发生作用。这样消弱了Au纳米粒子与g-C3N4的作用,因此拉曼信号减弱。

3 结论

在g-C3N4表面上负载了尺寸约25nm的Au颗粒,制备了具有SERS活性的Au/g-C3N4纳米复合材料。通过比较吸附重金属离子后,基底拉面信号的强弱,可以用于溶液中的Co2+,Cd2+,Zn2+和Cu2+离子存在的检测。

摘要：在石墨型氮化碳(g-C3N4)表面上负载上通过柠檬酸钠化学还原法制备的尺寸约25nm的Au颗粒,获得Au/g-C3N4纳米复合材料。采用XRD、FT-IR、SEM、UV-Vis和拉曼等表征手段,考察了样品的结构、形貌与性能。结果表明,Au/g-C3N4纳米复合材料具有良好的SERS活性,可以用于重金属离子存在的检测。