（物理化学专业论文）生物相容性金纳米探针的制备与表征.pdf

f a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o nt h ew a t e rs o l u b l en a n o r o dp r o b e s b y l ul i n g h u i b s ( s h a n x id a t o n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n p h y s i c a lc h e m i s t r y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh uj i a w e n m a y ，2 0 1 1 8删0m 3眦7i 0m 9iii-m y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名 芦砍穗。 日期：复口l f 年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“v ? ) 作者签名： 导师签名： 芦砖麓 毫日钮认 日期：2 d 年6 月3 日 日期： 弘f f 年6 月日 硕士学位论文 摘要 金纳米棒有着独特的光学性质，在医学、传感、分析化学等方面有很好的应 用前景，近年来成为人们研究的热点。其特有的光学性能与颗粒尺寸、形状和晶 型密切相关。金纳米棒有横向和纵向两个等离子体吸收峰，并且其纵向吸收峰可 以实现人为调控，这样的特点使其得到广泛的应用。但是生物化学和医学领域的 应用中，金纳米棒存在生物相容性差和胶体不稳定等问题。因此针对于金纳米棒 的形貌及表面改性研究显得尤为重要。 本文主要针对金纳米棒做了以下三方面的研究： ( 1 ) 对单甲醚聚乙二醇进行官能团改性。首先将原料分子单甲醚聚乙二醇端 羟基改性为氨基，再与经过n ，n 二环己基碳二亚胺( d c c ) 希jn 羟基丁二酰亚胺 ( n h s ) 活化的5 ，5 二硫代双( 2 硝基苯甲酸) ( d n b a ) 分子中的羧基反应，制备出具 有良好水溶性的拉曼活性高分子。 ( 2 ) 制备水溶性的金纳米棒s e r s 探针。我们利用合成出的高分子 2 m p e g d n b a ，与特定波长的金纳米棒反应，制备出水溶性的金纳米棒s e r s 探 针，并通过透射电镜，表面增强拉曼散射等进行表征。紫外可见光谱证明由于外 层的长链p e g 的保护作用，功能分子可以在复杂的外界环境中保持良好的稳定 性。这种功能化的纳米探针可以在生物分析及生物医学领域得到广泛的应用。 ( 3 ) 采用种子生长法制备了尺寸大小较为均一的金纳米棒。研究了金纳米棒 的形貌受温度及卤素离子浓度调控的影响，并通过透射电子显微镜( t e m ) 、紫外 可见光谱法( u v v i s ) 对其进行了表征。 关键词：表面等离子体共振；表面增强拉曼光谱；金纳米棒探针 生物相容性金纳米探针的制备与表征 a b s t r a c t w i t h u n i q u eo p t i c a lp r o p e r t y ，g o l dn a n o r o d sh a v ep r o m i s i n gp r o s p e c t si n m e d i c a l ，s e n s i n g ，a n a l y t i c a lc h e m i c a l ，w h i c hh a v eb e c o m eah o tt o p i ci nr e c e n ty e a r s t h eu n i q u eo p t i c a lp r o p e r t yo fg o l dn a n o r o d si sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e i r s i z e ，s h a p ea n d c r y s t a l s t r u c t u r e s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) o fg o l dn a n o r o d s s p l i t i n t o t r a n s v e r s em o d e ( t s p r ) a n dl o n g i t u d i n a lm o d e ( l s p r ) t h el s p rc a nb et u n e d a c r o s st h ev i s i b l er e g i o nt ot h en e a r i n f r a r e dr e g i o nv i ai n c r e a s i n gt h el e n g t ho ft h e r o d s f o ra p p l i c a t i o no fb i o c h e m i c a la n dm e d i c a lf i e l d s ，t h eg o l dn a n o r o d ss h o u l db e w a t e r - s o l u b l ea n ds t a b l ei na d v e r s ec o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt h es h a p ea n d s u r f a c em o d i f yo fn a n o r o d si sv e r yi m p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，g o l dn a n o r o d sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e df r o mt h ef o l l o w i n gt h r e e a s p e c t s f i r s t l y ，t h et e r m i n a lh y d r o x y lg r o u po fm p e gw a sc h a n g e di n t oa m i n og r o u p ， a n dc a r b o x y l i ca c i do ft h ed n b aw a sa c t i v a t e dw i t hd i c y c l o h e x y lc a r b o n d i m i d e ( d c c ) a n dp - n i t r o p h e n o lt of o r ma l la c t i v ee s t e r a m i n oo fm p e gw e r ei n t r o d u c e di n t o m o l e c u l a ra c t i v ee s t e ro fd n b a t h r o u g hf u n c t i o n a l i z a t i o nt op r e p a r em p e g d n b a s e c o n d l y ，w er e p o r tt h ep r e p a r a t i o no fw a t e r - s o l u b l e ，s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a n s c a t t e r i n g ( s e r s ) 一t a g g e dg o l dn a n o r o dp r o b e s t h a tw a sa c c o m p l i s h e db yd i r e c t l i g a n de x c h a n g e o ft h ei n i t i a ls t a b i l i z e rw i t ha s y n t h e s i z e d r a m a n a c t i v e p o l y ( e t h y l e n eg ly c 0 1 ) ( p e g ) t h ea un rp r o b e se x h i b i t e do p t i m i z e ds e r ss i g n a l s d u et ot h e c o u p l i n go ft h el o n g i t u d i n a ls u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c eo ft h eg o l d n a n o r o d sw i t ht h ee x c i t a t i o nw a v e l e n g t h f u r t h e r m o r e ，t h e yw c r cs t a b l ei na d v e r s e c o n d i t i o n sb e c a u s et h eo u t e rp e gp r o t e c t i n gl a y e rp r o v i d e ds t e r i cs t a b i l i t yt ot h e m t h e s em u l t i f u n c t i o n a ln a n o p r o b e sa r ee x p e c t e dt ob ew i d e l ya p p l i c a t e di nb i o l o g i c a l a n a l y s i sa n db i o m e d i c i n e t h i r d l y ，t h eu n i f o r m ，s i z eo fg o l dn a n o r o d sw e r ep r e p a r e db yt h es e e d m e d i a t e d m e t h o d t h eu v - v i ss p e c t r o s c o p ya n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n d w e r eu s e dt os t u d yt h es t r u c t u r a lp r o p e r t i e so fg o l dn a n o r o d st a k e nf r o mc o n t r o l l i n g t h et e m p r e t u r eo fs o l u t i o n sw a t e rb a t h sa n dt h ec o n c e t r a t i o no ft h ec i 。 k e y w o r d s ：s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ；s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ； g o l dn a n o r o d sp r o b e s h i 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 拉曼简介1 1 1 1 拉曼散射的发现1 1 1 2 拉曼光谱的发展概要1 1 1 3 拉曼光谱法的特点1 1 2 表面增强拉曼散射3 1 2 1 表面增强拉曼的发现与发展。3 1 2 2 表面增强拉曼散射的机理4 1 2 3s e r s 标记纳米探针5 1 3 表面增强拉曼光谱的应用6 1 3 1 拉曼光谱技术在食品成分检测中的应用6 1 3 2 拉曼光谱在食品农药残留检测中的应用6 1 3 3 在生物医学方面的应用7 1 3 4 在艺术、考古及相关领域的应用7 1 3 5 在物理光电材料方面的应用7 1 3 6 研究化学反应与吸附动力学方面的应用7 1 4 金纳米棒简介8 1 4 1 金纳米棒的制备8 1 4 2 金纳米棒的光学特性8 1 4 3 金纳米棒的表面改性9 1 5 本论文的研究目的及设想：1 4 第2 章改性拉曼活性分子的合成。1 6 2 1 前言1 6 2 2 实验部分。1 6 2 2 1 实验试剂1 6 2 2 2 实验仪器1 7 2 2 3 实验方法：1 8 i v 生物相容性金纳米探针的制各与表征 2 3 结果与讨论2 0 2 3 1u v v i s 表：征2 1 2 3 2 红外光谱表征2 1 2 3 3 核磁表征2 2 2 4 本章结论2 5 第3 章水溶性金纳米棒探针的制备2 6 3 1 前言。2 6 3 2 实验部分。2 7 3 2 1 实验试剂2 7 3 2 2 实验仪器。2 8 3 2 3 实验方法。2 9 3 3 结果与讨论3 0 3 3 1s e r s 标记探针中金纳米棒表面的表征3 0 3 3 2s e r s 标记探针稳定性检测3 l 3 3 3s e r s 标记探针分子的r a m a n 与u v v i s 表征3 2 3 3 4s e r s 标记探针分子的抗干扰检测3 4 3 4 本章结论。3 5 第4 章金纳米棒的形貌转变研究。3 6 4 1 前言j 3 6 4 2 实验部分3 7 4 2 1 实验试剂3 7 4 2 2 仪器与表征。3 7 4 2 3 实验方法3 8 4 3 结果与讨论。3 8 4 3 1 处理前后的金纳米棒的u v v i s 和t e m 图3 8 4 3 2 金纳米棒随外界条件改变的u v v i s 变化图。3 9 4 3 3l s p r 随外界条件变化的数据分析。4 1 4 4 本章结论4 2 j 言论：。j z i ：； 参考文献4 4 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 7 j l 受谢5 8 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 拉曼简介 1 1 1 拉曼散射的发现 人们对光与物质相互作用的现象早就已经有所了解，当一束光照射到试样上 时，会出现透射、吸收、散射三种情况。其中大部分的光透过介质或者被介质反 射，另一部分光被介质向各个方向散射。在散射过程中，只发生方向变化不伴随 能量的交换，散射光频率等于入射光频率的光散射现象属于弹性散射，如瑞利散 射使天空呈现蔚蓝色，颗粒的米氏散射等。非弹性散射是在光与物质相互作用的 过程中，不仅发生方向变化同时还伴有能量交换，部分散射光的频率与入射光频 率有所偏离，这种频率发生改变的散射称之为拉曼散射。对于探求物质的微观结 构来讲，非弹性散射具有更为重要的作用。拉曼散射便是一种能够反映分子转动、 振动的非弹性散射现象【l 】。 1 1 2 拉曼光谱的发展概要 德国的s e m k a l 于1 9 2 3 年从理论上预言了散射光谱【2 1 。印度物理学家 c v r a m a n1 9 2 8 年从实验中发现了液体的拉曼散射现象并于1 9 3 0 年获得诺贝尔 物理学奖，成为亚洲第一个获此殊荣的科学家【3 j 。但当时所用光源( 汞灯) 的强度 低，单色性、方向性和相干性都很差，造成拉曼信号非常弱，导致拉曼光谱学在 其创立后不久曾一度停滞。1 9 6 0 年激光的出现为拉曼散射实验提供了理想的光 源，随后19 8 6 年h i r s c h f e l d 报告的固体和液体近红外傅里叶变换拉曼光谱仪 ( f t r a m a n ) 的问世更使拉曼光谱学和拉曼光谱技术得到了迅猛发展。拉曼光谱 与分子的振动能级相对应，于是从拉曼光谱中得到的频率位移、偏振状态和拉曼 谱带强度等参数深刻地反映了分子的结构和振动状态，使其成为研究分子结构和 各种物质微观结构的重要工具，进而在化学、物理学、生物学、医学和环境科学 等众多领域中受到了广泛关注【4 1 。 1 1 3 拉曼光谱法的特点 拉曼光谱与红外吸收光谱一样都为分子光谱，但两者产生机制不同。偶极矩 变化的分子具有红外活性，而极化率变化的分子才具有拉曼活性【5 6 】。对于大多数 的有机分子一般具有不完全对称性，既具有红外活性，又表现出拉曼活性，在红 外和拉曼光谱中都有所反映。二者在分子结构的分析中相互补充，结合使用这两 生物相容性金纳米探针的制备与表征 种光谱技术，可以获得丰富的分子结构信息。与红外光谱相比较，拉曼光谱具有 以下特点以及独特的优势【7 9 】： 第一，拉曼与红外光谱相比最显著的优点之一是可以方便的用于水溶液体系 的检测。由于水分子的不对称性结构，在拉曼谱图上没有伸缩振动频率带并且其 它的变形、剪切等振动频率谱带也很弱， 大减弱水的拉曼散射对待测样品的干扰。 溶质的谱图分析带来很大干扰。 因而水的拉曼光谱信号极其微弱，这极 而水的红外光谱带数很多且强度大，对 第二，拉曼光谱的频率位移不受单色光源频率的限制，其单色光源的频率可 根据样品的不同特点而有所选择，红外光谱的光源则不能任意调换；用激光器为 光源，激光的方向性强，光束发散角小，可聚集在很小的面积上对极微量的样品 进行测定；激光的单色性好，激光拉曼光谱谱带常常比红外谱带更尖锐，分辨性 好。由于拉曼光谱研究的是谱线位移，故用一台普通的拉曼光谱仪就可方便地测 量从几十到四千波数范围内的光谱，若用红外光谱则需中红外和远红外的配合才 能完成。尽管红外和拉曼光谱均是研究分子的振动能级，但红外光谱是在红外区 进行吸收研究。而拉曼光谱则是在可见区研究分子的振动能级，这样激光拉曼光 谱较红外光谱大大降低了对样品池、单色仪和检测器等光学元件材料的要求，在 操作上也大为方便。 第三，拉曼光谱不破坏样品，毋需样品制备，一般样品可装于毛细管内直接 测定，玻璃即为理想的窗口材料，危险的及热敏样品可在密封容器中测试。而红 外测试则需要对样品做一定的处理。 第四，拉曼活性的谱带是基团极化率随简正振动改变的关系，而红外活性的 谱带是基团偶极矩随简正振动改变的关系，拉曼光谱中包含的倍频及组频谱带比 红外光谱中少。所以拉曼光谱往往仅出现基频谱带，谱带清楚，分析起来比红外 光谱更简单。 第五，拉曼光谱能对s s ，c c ，c = c ，n = n ，c = s ，p - s 等红外吸收较弱的 官能团给出强的拉曼信号，对易产生偏振的一切重要元素( 过渡金属、超铀元素等) 的络合键均可出现拉曼强谱带。 第六，拉曼光谱可用于单晶的低频晶格频率及高频分子频率的研究，这是由 于晶格内分子的排列一定，偏振参数不像液体那样是空间平均化的。在振动频率 的归属上能应用与排列有关的偏振数据。 然而，r a m a n 光谱也存在拉曼散射截面小、散射光强度弱，容易受到荧光背 景的干扰等缺点，难以获得理想的拉曼光谱图；此外，对分子浓度非常低需要痕 量物质检测的样品，常规拉曼光谱便很难满足测试需要。表面增强拉曼散射 ( s e r s ) 光谱克服了常规拉曼光谱检测灵敏度低的缺点，极大地扩展了拉曼光谱的 应用范围。 2 硕士学位论文 1 2 表面增强拉曼散射 1 2 1 表面增强拉曼的发现与发展 1 9 7 4 年，英国科学家f l e i s c h m a n n 等【l o j 用拉曼检测吸附在粗糙银电极表面 上的单层吡啶分子时，首次得到了被大大增强了的拉曼信号，但是他们只是将这 一新现象归因于电化学粗糙导致吸附样品分子数目增加所致。1 9 7 7 年， j e a n m a i r e h ed , 经t t 7 】和c r e i g h t o n 小组【川通过各自系统的实验并计算后发现，对相 同数量的吡啶分子吸附在粗糙电极表面比在溶液中的拉曼信号增强了约6 个数量 级，他们指出这是一种与粗糙表面相关的巨大的表面增强效应，即所谓的表面增 强拉曼散射( s u r f a c ee n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ) ，简称s e r s 。s e r s 自被发现后 很快在表面科学，分析科学和生物科学等领域得到广泛的应用。时至今日，s e r s 已经发展成为了一个非常活跃的研究领域。 自s e r s 发现以来，已经有大量有关s e r s 的实验和理论研究，人们归纳得 出了s e r s 效应具有以下一些特点 1 2 - 1 4 ： 1 ) 在粗糙的贵金属a u 、a g 、c u 表面可获得1 0 6 的增强效应；而在l i 、n a 、 k 、a l 等自由电子金属表面也观察到较强的s e r s 效应；许多过渡金属表面也表 现出弱的增强效应，如p t 、r h 、n i 、c o 、f e 、p d 、r u 等。 2 ) 具有s e r s 效应的金属表面存在两种类型的粗糙度，一种是纳米尺度的粗 糙，表面粒子的粒径为1 0 2 0 0a m 另一种是原子尺度的粗糙，如表面络合物、 吸附原子、吸附原子簇等尺寸在几个原子大小，被称为s e r s 活性位。这两种表 面粗糙度各自对表面增强效应的贡献不同，通常认为作为活性位的微观粗糙度对 s e r s 增强因子的贡献一般为l o 1 0 3 。 3 ) s e r s 具有极高的表面灵敏度，吸附在金属表面的笫一层分子可获得最大 的增强，同时它还具有长程增强作用，在离开金属表面数十埃乃至十纳米的距离 内都有增强作用，但这类增强作用随距离的增加而呈指数降低，且与金属的表面 形貌、物理性质以及吸附分子与金属的作用有关。 4 ) 大量吸附在金属表面的分子可表现出s e r s 效应，但是不同分子的增强因 子不同，如具有相近极化率的c o 和n 2 在相同实验条件下获得的表面信号强度前 者是后者的2 0 0 倍，这和吸附分子( 离子) 与表面的成键方式有关。一般物理吸附 的分子( 离子) 的增强因子较低。 5 ) s e r s 谱峰的相对强度以及频率和分子本体的常规拉曼光谱存在较大的差 别。在电化学体系中，s e r s 谱峰的强度和频率与所加电极电位密切相关，电位 对于同一分子不同振动模式的影响也可能不同；s e r s 谱峰强度随电位变化曲线 常出现一极大值，并且该极大值可能随激发光波长的变化而发生位移。 6 ) 在常规粗糙化的会属表面，s e r s 谱峰是完全退偏振的，而在单个的纳米 3 1 1 。- 。1 。1 。1 。1 。_ 。_ _ 。- 。_ _ _ _ _ 。_ 生物相容性金纳米探针的制各与表征 粒子或纳米管、线的表面s e r s 谱峰可能是偏振的。拉曼选律在s e r s 效应中被 放宽，许多拉曼非活性的振动模式在s e r s 光谱中也能被检测到，并且s e r s 谱 峰强度随激发光波长的变化偏离正常拉曼散射强度与a 4 成正比的关系。 7 ) 在具有s e r s 效应的粗糙表面欠电位沉积极少量的非s e r s 活性金属如 p b 、t l 等会导致s e r s 效应的减弱和淬灭，s e r s 活性位也可能随外界条件，如 电极电位、升降温等过程的变化而不可逆地消失，但经过再次粗糙后可重新获得 s e r s 活性。 1 2 2 表面增强拉曼散射的机理 自从s e r s 现象被发现以来人们一直不断补充和修正已经提出的理论或提出 新的模型，以图揭示s e r s 的增强机制。但是，s e r s 的增强机理至今仍未完全搞 清。目前大家较为认同的机理有电磁增强和化学增强两种增强机制，s e r s 增强 是二种增强机制共同作用的结果u 引。 已知r a m a n 散射强度正比于分子感应偶极矩p 的平方，而p = a e ，其中a 为 分子的极化率变量，e 为作用于分子上的入射光电场j 根据这个基本关系可知拉 曼散射的增强途径可能包括改变分子周围的电磁场强度或增加分子的极化率两个 方面。在具体理论方面，前者物理类模型的出发点为s e r s 起源于分子表面局域 电场的增强，后者化学类模型以金属与分子间的化学作用导致极化率的改交为共 同点。 i ) 电磁增强效应 电磁场机理( e m ) 认为具有一定表面粗糙度的类自由电子金属基底的存在，使 得入射激光在表面产生的电磁场较大地增强，由于拉曼散射强度与分子所处光电 场强度的平方成正比，因此极大地增加了吸附在表面的分子产生拉曼散射的几率， 从而提高检测到的表面拉曼强度，是一种物理模型。 电磁场增强机理的模型主要有表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m ar e s o n a n c e ) 【16 1 ，避雷针效应( l i g h t n i n gr o de f f e c t ) t 1 7 , 1 8 1 ，镜像场作用( i m a g e f i e l d e f f e c t ) t 1 9 , 2 0 】等几种。在这些物理模型中，表面等离子体共振模型在理论和实验上 都研究得比较多。该模型基于金属表面等离子体共振现象，认为当粗糙化的金属 基底表面受到光照射时，金属表面的等离子体被激发到高的能级而与光波的电场 耦合，并发生共振，使金属表面的电场增强，产生增强的拉曼散射。这种理论认 为金属表面的粗糙化是光波和表面等离子体耦合的必要条件。电磁场增强和金属 本身的光学性质、表面粗糙的颗粒尺寸、形状、组成、局域环境以及聚集状态有 关【2 1 1 。这些特征决定了金属纳米粒子导带电子的共振频率。迄今为止能产生表面 等离子体共振的金属主要有贵金属银、金和铜以及碱金属等自由电子金属，而且 入射光子能量也可影响等离子体共振的产生。 硕士学位论文 2 1 化学增强机理 化学增强机理主要研究吸附物种和金属表面的化学成键【2 2 】作用。化学增强考 虑的是表面化学效应对s e r s 的影响，它需要拉曼活性分子与金属表面的直接接 触，所以这种增强效应也被称为第一层效应，反映了化学增强的短程性1 2 3 1 。 化学增强模型认为拉曼散射信号的增强是由于吸附在粗糙金属表面的分子极 化率的改变而引起的，当分子化学吸附于金属纳米粒子表面上时，将会显著地影 响或改变表面等离子体共振的性质，金属表面与吸附分子之间发生了较强的化学 作用，或者说是两者之间发生了电荷转移。 化学增强模型主要有电荷转移模型【2 4 2 6 1 和活位模型【2 7 , 2 8 】等。电荷转移模型认 为：当一分子吸附到金属基底表面时，能产生新的激发态，形成新的吸收峰。当 波长合适的激发光照射到金属表面时，电子可从金属的费米能级附近共振跃迁到 吸附分子上或从吸附分子共振跃迁到金属上，从而改变了分子的有效极化率，从 而产生s e r s 效应。而活位模型认为：不是所有吸附到基体表面的分子都可以产 生s e r s 信号，只有吸附在基体表面的某些所谓的活位体上的分子才能产生强的 s e r s 信号，但在具体的试验中却很难给出金属表面“活位的具体模型。 至今还没有一个完善的理论可以解释所有s e r s 的实验特性，现在大多数的 研究者认为这两种因素可能同时起作用，它们对s e r s 产生的相对贡献随体系的 不同而不同。随着s e r s 以及相关技术的快速发展，准确而又全面地认识增强机 理的条件逐步完善，如单晶表面s e r s 光谱的获得。适于单分子检测的具有高增 强因子的纳米银溶胶粒子的制备，过渡金属表面弱s e r s 效应的发现以及具有模 型功能的金属有序纳米粒子基底的合成，量子理论计算的不断引入和完善等使 s e r s 机理逐渐明朗。它们为s e r s 提供了更丰富的信息，有助于我们更清楚地了 解其本质1 2 引。 1 2 3s e r s 标记纳米探针 以金或银纳米颗粒为增强基底，在其表面修饰可提供强s e r s 信号的拉曼标 记分子和功能性分子如抗体等，可制得具备检测识别功能的s e r s 标记纳米探针， 用于离子以及生物分子等的检测。 将拉曼活性分子和抗体共吸附到金属纳米颗粒的表面为最早的s e r s 标记免 疫探针f 3 们。这种探针制备方法简便，有很高的s e r s 活性和特异性识别能力。但 是其自身以及光谱易受周围环境( 如p h 值、离子强度等) 的影响而稳定性较差。 随后，由n a t a n 小组【3 1 】和n i e d 小组【3 2 】报道的用二氧化硅包埋的s e r s 标记 物克服了上述缺点，其制备过程是先在纳米颗粒表面接上拉曼活性分子，再在一 定的实验条件下使其表面包裹二氧化硅层并根据需要条件调节厚度，这种标记物 的表面易于进行下一步的生物修饰，并且能抵抗外界环境的干扰，但是却存在制 5 生物相容性金纳米探针的制各与表征 备耗时长，容易产生特异性吸附的缺点3 3 , 3 4 。与此同时，s t o k e s 3 5 1 和b e r l i n d x 3 6 1 等小组的人分别发现一些高聚物如乙烯基吡咯烷酮( p v p ) 、聚乙烯基乙二醇 ( p e g ) 也可以有效地吸附到金属纳米颗粒的表面，形成保护层，起到稳定纳米颗 粒的作用。由于聚合物的性质可以被有效调控，因而这类s e r s 标记物具有很强 的实用性。 最近，n i e d 小组【3 7 】设计了一种巯基化p e g 包埋金纳米颗粒的s e r s 标记物， 由纳米金颗粒、拉曼活性分子和巯基化p e g 三部分组成。这种巯基化p e g 保护 的纳米金颗粒可以在复杂的外界环境中稳定存在而不发生团聚，并且利用p e g 可 以修饰有不同功能的基团，便使这种探针可以有效对抗体、d n a 等进行特异识别。 这样就大大拓展了拉曼活性分子在s e r s 探针中的应用，并且可以根据需要( 如需 要发生共振拉曼、近红外光激发等) 方便选用不同的拉曼活性分子。 1 3 表面增强拉曼光谱的应用 拉曼光谱( r a m a ns p e c t r o s c o p y ) 技术是一门基于拉曼散射效应而发展起来的光 谱分析技术，体现的是分子的振动或转动信息。由于拉曼光谱技术与常规化学分 析技术相比，具有无损、快速、环保、无需制备试样、无需消耗化学试剂、所需 样品量少等特点，并且激光光源的出现使得拉曼光谱已广泛应用于石油化工、生 物医学、地质考古、刑事司法、宝石鉴定等领域。 1 3 1 拉曼光谱技术在食品成分检测中的应用 国外利用拉曼光谱技术对食品成分的分析研究应用较广，通过拉曼谱图不仅 可以定性分析被测物质所含成分的分子结构和各种基团之间的关系，还可以定量 检测食品成分含量的大小。应用拉曼光谱可以检测植物的含油量、油份组成以及 分析动物脂肪的结构等。空间构型的研究是拉曼光谱在蛋白质和多肽的主要应用 利用拉曼光谱技术分析食品成分方面国内研究相对国外来说还处于起步摸索阶 段。b a r r o n 等【3 8 1 应用拉曼光谱定性分析了小麦阿拉伯木聚糖的分子化学键和骨架 结构。w o n g 等【3 9 】研究了酰胺化作用对分离大豆蛋白、鸡蛋白粉和谷蛋白的影响， 发现色氨酸的变化并非构象变化导致，而可能是衍生化作用导致。 1 3 2 拉曼光谱在食品农药残留检测中的应用 随着人民生活水平的提高，食品安全已成为全球关注的热点话题，农药残留 污染是制约食品营养与安全的首要因素之一。农产品检测中心配备的检测仪器灵 敏度高、专业性强、检测方法复杂，价格昂贵；常规的检测方法拥有许多不足。 由于不同农药的分子结构不同，其振动谱也会不同，因此利用拉曼光谱来识别不 同的农药是可行的。拉曼光谱在食品农残中的检测主要是在粮食、蔬菜、水果中 硕士学位论文 普遍使用的杀虫剂和杀菌剂等农残检测。s k o u l i k a 等利用傅里叶拉曼光谱定量检 测了杀虫剂二嗪农。a r m e n t a 等分别采用了傅里叶红外光谱法和拉曼光谱法对异 菌脲进行了检测。肖怡琳等用显微拉曼光谱仪测试了几种用于果蔬表面的农药( 如 杀蝉、灭多威、扑海因等) 拉曼光谱和荧光光谱，根据各种农药的特征峰，可以实 时快速地区别各种农药及其在果蔬表面上的农残【4 0 l 。 1 3 3 在生物医学方面的应用 生物大分子中，核酸、磷脂、蛋白质等是重要的生命基础物质，研究它们的 结构，构象等化学问题以便阐明生命的奥秘，是当今极为重要的研究课题。s e r s 作为一种增强拉曼光谱技术，由于其高灵敏度特性，且样品用量少，并可以直接 分析水相生物分子的结构状态与其它方法相比有着明显的优势，在研究生物分子 的结构和构象方面发挥着极为重要作用。已被用来研究生物小分子和大分子在 a g 胶和a g 电极上的分子构型、界面行为以及某些反应动力学。研究者利用s e r s 解决了生物物理、生物化学和分子生物学中的许多问题，包括提供分子的特殊基 团与界面的相互作用、生物分子与金属表面键合的方式、d n a 、卟啉等在银胶上 的吸附状态等【4 1 , 4 2 ，这方面的研究将成为近年来以及将来的发展趋势。 1 3 4 在艺术、考古及相关领域的应用 由于拉曼光谱分析法具有非破坏性的优点，它是一种无损伤性的快速分析方 法。它还具有携带方便、能进行原位分析、空间分辨率高、光谱分辨率高、适用 于大型不规则样品等优点，所以它在考古研究中是一种利用率很高的分析检测仪 器【4 3 45 1 。研究人员使用拉曼光谱可以判断不同的织物和它们不同的生产阶段。同 样，使用该技术还可以鉴定古埃及的亚麻，1 3 世纪意大利的陶瓷，中世纪的壁画， 还可以用来研究美国印弟安人的艺术品中的树脂。所以它在考古中被广泛使用， 考古工作者利用它来对古代一些珍贵的文稿、宝石、玉器、金属、颜料、陶瓷、 壁画进行鉴定和研究。 1 3 5 在物理光电材料方面的应用 表面上的分子吸附和化学处理对光电器件和固体材料的性能有重要影响。采 用特别的方法制备增强基底，s e r s 可以扩展到半导体光电器件或其它固体表面， 从而能够在分子水平上了解固体表面态的化学和物理性质。 1 3 6 研究化学反应与吸附动力学方面的应用 s e r s 技术能用来研究化学反应的机理，主要是通过检测反应的中间和最终 产物来推测反应机理，些中间产物通常是很不稳定的，但当它们吸附在基底表 面时会比较稳定，因此容易检测。 生物相容性金纳米探针的制各与表征 s e r s 技术能用来研究分子的吸附动力学，利用测量s e r s 谱峰强度随时间的 变化，能得到吸附速率常数等相关实验数据。s e r s 的应用范围还包括其它方面， 如胶体凝聚的演变过程、荧光淬灭或增强机理、化学反应的机理以及表面增强光 化学反应如分子的感光过程和增感机理等。 1 4 金纳米棒简介 近几年来，随着现代纳米技术的发展，研究者们在贵金属纳米颗粒的制备【4 6 】 和可控光学特性1 4 7 】等方面已取得了重大成果。其中研究最为广泛、最具应用潜力 的应是金纳米棒。由于棒状金纳米粒子具有比球形粒子更为奇异的光学和电学性 质【4 8 , 4 9 】，合成方法简单可调性 5 0 , 5 1 】，使其成为近年来纳米材料领域里的研究热点。 1 4 1 金纳米棒的制备 目前人们已对不同长径比的金纳米棒的合成方法做了许多深入的研究。不同 大小形状金纳米棒的合成控制方法很多，其中因方法简单，产率高，改变反应物 浓度即可调节金棒长径比而使用最为广泛的便是晶种化学生长法【5 2 5 4 1 。晶种合成 法的基本原理是向生长液中加入一定量的3 5n m 的晶种( 强还原剂n a b h 4 将放 入c t a b 溶液中的金盐还原成粒径小于5n m 的球形颗粒即为金晶种) ，在表面 活性剂和其它试剂的作用下，晶种就会定向生长为一定长径比的金纳米棒。通过 改变晶种的量、生长液中各试剂的浓度和溶液的p h 值就可得到不同长径比的金 纳米棒。其中不同硝酸银和种子量对于合成金纳米棒的大小和形状起关键作用 5 5 - 5 7 。示意图1 1 表明了这种方法的合成路线以及样品电镜图。 晶种合成法的生长机理一般认为是c t a b 双分子层吸附到由晶种中的晶核生 长成双孪十面体的 1 0 0 面。后在a g n 0 3 的作用下，被弱还原的a a 还原得到的 a u 原子，在双孪十面体 1 1 1 ) 面定向生长，进而使金纳米棒沿着 1 0 0 方向延伸。 由此可知金纳米棒是球形纳米颗粒在一维方向的延伸。 此外，金纳米棒的合成方法还有m a r t i n 等人最早使用的模板合成法【5 引，杨培 东小组用的光化学合成法【5 9 1 ，w a n g 小组电化学合成法【6 0 ，6 ，m a r k o v i c h 等人和 w e i 等人采用不加银离子的金种诱导法分别直接在云母和玻璃表面合成法【6 2 , 6 3 1 由 于这几种方法设备要求较高，操作过程复杂、耗时长、产量低，这里不再做详细 的阐述。 1 4 2 金纳米棒的光学特性 金纳米棒具有一个横向等离子共振吸收峰( t r a n s v e r s es u r f a c ep l a s m o n r e s o n a n c e ，t s p r ) 和一个纵向等离子共振吸收峰( l o n g i t u d i n a ls u r f a c ep l a s m o n 硕士学位论文 r e s o n a n c e