表面增強(qiáng)拉曼散射光譜（SERS）不僅可提供分子的振動(dòng)信息,而且由于其窄散射峰適用于多重分析,已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像、生物傳感及疾病診斷中。特別是近年來(lái),膠體等離子體貴金屬納米材料的發(fā)展,使SERS技術(shù)在復(fù)雜生物體系分析檢測(cè)中的應(yīng)用受到了越來(lái)越多的關(guān)注。然而,現(xiàn)有SERS檢測(cè)方法在生物醫(yī)學(xué)成像和生物傳感方面仍面臨許多挑戰(zhàn)。首先,常規(guī)SERS基底一般由金或銀納米材料制成,金納米材料的SERS增強(qiáng)效果不夠理想,雖然銀納米材料的SERS增強(qiáng)效果比較好,但其化學(xué)穩(wěn)定性差、生物毒性大。其次,常用于生物體系檢測(cè)的拉曼報(bào)告分子在指紋區(qū)域(<1800 cm^-1)具有多個(gè)拉曼峰,這些拉曼峰容易與內(nèi)源性物質(zhì)的拉曼峰重疊,會(huì)嚴(yán)重影響分析檢測(cè)的準(zhǔn)確度。另外,現(xiàn)有SERS檢測(cè)方法通常更關(guān)注單一目標(biāo)物的檢測(cè),很少有研究致力于開(kāi)發(fā)便捷可靠的SERS傳感陣列以用于多種疾病標(biāo)志物的同時(shí)分析檢測(cè)。本論文以SERS技術(shù)作為主要分析手段,首先制備了具有優(yōu)良SERS增強(qiáng)性能的金銀合金納米顆粒,再結(jié)合細(xì)胞靜默區(qū)拉曼報(bào)告分子以及傳感陣列策略,構(gòu)建了一系列用于生物醫(yī)學(xué)成像及疾病標(biāo)志物檢測(cè)的SERS傳感新方... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

瑞利散射和拉曼散射過(guò)程示意圖[5]

基于金銀合金的新型SERS納米探針用于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)研究-4-納米顆粒稱為等離子體納米粒子（PNP），通常是Ag、Au和Cu納米顆粒，這是由于這些金屬在可見(jiàn)到近紅外區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)烈的SPR效應(yīng)。LSPR將導(dǎo)致入射光發(fā)生共振吸收或散射，從而使入射光有效地耦合到金屬納米顆粒中，使納米顆粒表面的局部電磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生2-5個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)，這是SERS強(qiáng)度獲得巨大增強(qiáng)的關(guān)鍵原因[19]。圖1.2(a)拉曼散射；(b)局域表面等離子體共振（LSPR）；(c)SERS的電磁增強(qiáng)機(jī)制示意圖[19]。待測(cè)分子吸附到等離子體材料表面時(shí)，分子與基底產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)相互作用，拉曼散射過(guò)程顯著增強(qiáng)，產(chǎn)生SERS過(guò)程。如圖1.2c所示，SERS過(guò)程可以通過(guò)兩步增強(qiáng)過(guò)程理解[19]。第一步來(lái)自PNP周圍（如接收光學(xué)天線）的局部增強(qiáng)：Eloc(λex)=G1E0，其中G1是λex的近場(chǎng)電磁場(chǎng)的增強(qiáng)因子，E0是λex的激發(fā)光。在第二步中，PNP作為傳輸光學(xué)天線以將拉曼信號(hào)從近場(chǎng)轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)場(chǎng)，并且拉曼發(fā)射波長(zhǎng)為λem時(shí)滿足：Eloc(λem)=G2E0，拉曼信號(hào)與增強(qiáng)局域電場(chǎng)正相關(guān)。因此，SERS整體增強(qiáng)取決于“激發(fā)”和“發(fā)射”場(chǎng)：GSERS∝[Eloc(λex)/E0]2[Eloc(λem)/E0]2=G12G22。最佳SERS增強(qiáng)需要激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)與金屬納米結(jié)構(gòu)的等離子體峰三者之間的微妙平衡。當(dāng)入射光和斯托克斯拉曼散射信號(hào)的波長(zhǎng)彼此接近時(shí)，G1等于G2，并且SERS增強(qiáng)因子大約與局部電場(chǎng)增強(qiáng)的四次方成比例。局部電場(chǎng)的強(qiáng)度取決于分子與金屬表面的距離（r），公式E(r)∝(1+r/a)-3（見(jiàn)圖1.3a），SERS增強(qiáng)與r的關(guān)系大致符合公式(1+r/a)-12；其中a為納米顆粒的半徑。這表明SERS強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增加而顯著降低（見(jiàn)圖1.3b）[20,21]。因此，只有將分子固定在具有最高增強(qiáng)的基底表面，才能在SERS測(cè)量中實(shí)現(xiàn)最高靈敏度。將分子固定到基底表面上的策略?

博士學(xué)位論文-5-普遍，基于非共價(jià)鍵，包括氫鍵，離子鍵，范德華力和疏水相互作用，在主體（如環(huán)糊精，杯芳烴和葫蘆脲）和客體（分析物）分子中實(shí)現(xiàn)分子識(shí)別[23-25]。例如，氫化安息香由于對(duì)Ag表面具有較弱親和性而難以檢測(cè)，可通過(guò)在Ag表面上修飾環(huán)糊精，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫化安息香的成功檢測(cè)。（3）生物分子識(shí)別，如抗體-抗原，核酸雙鏈，適體-靶分子等[26-28]。圖1.3（a）AuNP電場(chǎng)分布的時(shí)域有限差分(FDTD)模擬；（b）SERS增強(qiáng)與AuNP表面距離的關(guān)系[20]。從圖1.3b中可以看出，當(dāng)分析物位于PNP表面臨近位置（小于5nm），雖然沒(méi)有了PNP電磁場(chǎng)的最高增強(qiáng)，但仍然具有一些增強(qiáng)作用（圖1.3）。換言之，不與PNP表面直接接觸的分子的拉曼信號(hào)也可以得到增強(qiáng)，該現(xiàn)象被稱為長(zhǎng)程效應(yīng)，被用于開(kāi)發(fā)殼層隔離的納米顆粒增強(qiáng)拉曼光譜（SHINERS）方法。這種殼層隔離納米顆粒，通常以惰性二氧化硅或氧化鋁為殼，以AuNPs或AgNPs為核。SHINERS已成功應(yīng)用于SERS生物分析中細(xì)菌上的膜蛋白和活細(xì)胞膜上多糖的研究[29,30]。最近，二氧化硅包覆的PNP應(yīng)用到了蛋白質(zhì)冠的研究中[31]。1.2.2.2化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制EM機(jī)制在總SERS增強(qiáng)中起了主要作用，而且電磁場(chǎng)增強(qiáng)對(duì)于吸附在納米粒子表面的所有分子的拉曼信號(hào)的放大是沒(méi)有選擇性的，它是基底的固有電磁特性，與分析物無(wú)關(guān)。然而，實(shí)驗(yàn)觀察到，CO分子和N2分子雖然具有相同拉曼散射截面，但是在使用同一SERS基底時(shí)，兩者的SERS光譜信號(hào)強(qiáng)度相差近200倍。僅通過(guò)電磁場(chǎng)理論，很難對(duì)該現(xiàn)象做出合理的解釋。因此，引入了分子與金屬和電磁場(chǎng)的同時(shí)相互作用，提出了CE機(jī)制，這種相互作用會(huì)對(duì)SERS增強(qiáng)可起到額外的貢獻(xiàn)�；瘜W(xué)增強(qiáng)機(jī)制涉及化學(xué)鍵結(jié)合，電荷轉(zhuǎn)移，分子極化率增加等過(guò)程，突出分子與金屬之間形成化學(xué)鍵。在CE機(jī)制中，最具有


本文編號(hào)：3134602