銀-硅納米孔柱陣列的SERS活性基底制備與生物分子探測(cè).pdf

1、表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)光譜能夠提供分子的“指紋”特征，具有較高的靈敏度，能夠在單分子水平上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。SERS技術(shù)是進(jìn)行探測(cè)和分析吸附分子信息的強(qiáng)有力工具，在分子結(jié)構(gòu)確定、生命科學(xué)、醫(yī)藥檢測(cè)及輔助病理診斷等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。在SERS研究中，被探測(cè)分子通常吸附在粗糙化的貴金屬表面或金屬納米顆粒表面，同時(shí)，金屬的種類、表面形貌及特征尺寸會(huì)直接影響到SERS基底的活性和探測(cè)的靈敏度。因此，選擇合適的SERS基底就顯得尤為重要。同時(shí)，對(duì)

2、生物分子的高靈敏度探測(cè)在醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域有其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本課題組采用水熱技術(shù)制備的硅納米孔柱陣列(Si-NPA)，不僅具有傳統(tǒng)多孔硅的物理特性和納米多孔結(jié)構(gòu)特征，而且具有獨(dú)特的表面物化性能，多種金屬（如金、銀、銅和鎳）能夠沉積到Si-NPA表面組成復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中金、銀或銅/Si-NPA復(fù)合體系顯現(xiàn)出一定的SERS探測(cè)能力。由于銀在可見光區(qū)，金和銅在紅外區(qū)能有較大的增強(qiáng)能力，其中銀的增強(qiáng)能力最強(qiáng)，本課題選用Ag/Si-NPA作為S

3、ERS基底，對(duì)SERS基底制備條件的優(yōu)化、基底的SERS增強(qiáng)機(jī)制、生物標(biāo)志劑分子及其標(biāo)記生物分子的探測(cè)等方面作了深入研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1、Ag/Si-NPA的可控浸漬沉積及機(jī)理
　　通過浸漬沉積法制備了Ag/Si-NPA基底，研究了Si-NPA的老化時(shí)間和浸漬沉積時(shí)間時(shí)間對(duì)Ag/Si-NPA基底的表面形貌、結(jié)構(gòu)及元素的分布的影響。浸漬時(shí)間分別為5s、15s、30s和60s時(shí)，當(dāng)采用老化4小時(shí)的Si-NPA浸漬沉積

4、銀時(shí)，在浸漬沉積的最初階段(5s)，銀的沉積沒有明顯的位置選擇性，隨后銀的在柱間區(qū)域增長(zhǎng)迅速，形成大的聚集體，在柱頂及硅柱側(cè)面形成顆粒膜;當(dāng)采用老化48小時(shí)的Si-NPA浸漬沉積銀時(shí)，5s時(shí)，銀的沉積已具有明顯的位置選擇性，銀在柱間區(qū)域形成大的聚集體，而柱頂及側(cè)面區(qū)域沉積的銀顆粒在掃描電鏡圖下較難分辨;當(dāng)采用老化720小時(shí)的Si-NPA沉積銀時(shí)，雖然延長(zhǎng)浸漬時(shí)間至5min，但僅柱間有點(diǎn)狀分布的少量銀顆粒;當(dāng)Si-NPA完全氧化后浸漬沉積

5、，其表面沒有銀沉積。在銀的浸漬沉積過程中應(yīng)發(fā)生如下反應(yīng)，銀的還原同時(shí)伴隨著硅的氧化，同時(shí)發(fā)生析氫副反應(yīng)。通過控制Si-NPA的氧化程度，能夠控制銀的沉積，包括銀顆粒的大小及沉積位置的分布。
　　2、Ag/Si-NPASERS基底的探測(cè)活性及優(yōu)化
　　以Ag/Si-NPA為SERS基底，以在生物標(biāo)記中有廣泛應(yīng)用的羅丹明6G(R6G)為SERS探測(cè)分子，利用拉曼光譜儀進(jìn)行SERS光譜檢測(cè)。在Ag/Si-NPA-R6GSERS體系

6、中，電磁增強(qiáng)和化學(xué)增強(qiáng)兩種增強(qiáng)機(jī)制均起作用，其中電磁增強(qiáng)機(jī)制中那些尺寸范圍在～35-55nm的銀顆粒起主導(dǎo)作用。利用優(yōu)化的Ag/Si-NPA基底對(duì)不同濃度(10-7-10-16mol/L)的R6G進(jìn)行SERS探測(cè)，極限濃度為10-16mol/L,并且觀察到了隸屬于單分子光譜的特有的譜色散和強(qiáng)度起伏現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)R6G的單分子探測(cè)。另外，結(jié)合SERS光譜分析了R6G在基底上的吸附方式，并且吸附方式會(huì)隨著Ag/Si-NPA基底的老化有所改變

7、。Ag/Si-NPASERS基底不僅具有較高的探測(cè)靈敏度，而且具有良好的信號(hào)探測(cè)重現(xiàn)性和時(shí)間穩(wěn)定性。在基底活性減退后785天，仍可通過簡(jiǎn)單的稀硝酸浸漬處理使之重新“激活”。以結(jié)晶紫(CV)為被探測(cè)分子討論了Ag/Si-NPA基底SERS增強(qiáng)中的增強(qiáng)因子在106量級(jí)。作為一種優(yōu)質(zhì)的SERS活性基底，Ag/Si-NPA基底必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。
　　3、基于Ag/Si-NPA基底的多組分生物標(biāo)志劑SERS探測(cè)
　　利用Ag/S

8、i-NPA活性基底，對(duì)兩種重要的生物標(biāo)志劑分子R6G和CV共吸附狀態(tài)下的SERS光譜進(jìn)行了探測(cè)。對(duì)溶液采用錯(cuò)級(jí)配置溶液(R6G和CV的濃度分別為10-9mol/L和10-7mol/L)后，所測(cè)得的SERS譜上可以獲得分別對(duì)應(yīng)于R6G和CV的分離良好、峰與峰間相對(duì)強(qiáng)度基本匹配、分辨率高的兩個(gè)SERS特征峰組?；旌衔皆诒３諷ERS特征峰組清晰可辨的同時(shí)，部分R6G和CV單獨(dú)探測(cè)時(shí)出現(xiàn)的拉曼峰相對(duì)強(qiáng)度減弱甚至消失，有利于簡(jiǎn)化現(xiàn)實(shí)混合探測(cè)過程

9、中對(duì)SERS特征峰的指認(rèn)和判斷。最終為實(shí)現(xiàn)多生物標(biāo)志劑分子標(biāo)記復(fù)雜生物體系的SERS精確探測(cè)提供了一條可供選擇的方向。
　　4、基于Ag/Si-NPA基底的寡核苷酸分子的SERS探測(cè)
　　利用Ag/Si-NPA基底通過SERS效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)寡核苷酸(OligoDNA)分子(濃度10-4mol/L)的直接探測(cè)，但OligoDNA結(jié)構(gòu)復(fù)雜性導(dǎo)致光譜的穩(wěn)定性和重復(fù)性較差。利用生物分子標(biāo)志劑異硫氰酸熒光素(FITC)對(duì)OligoDNA的