表面增强拉曼散射

1、表面增强拉曼散射表面增强拉曼散射 SERSSERS 目录目录 一、纳米颗粒概述及一、纳米颗粒概述及SERSSERS相关历史相关历史 二、二、SERSSERS原理原理 三、三、SERSSERS仪器仪器 四、四、SERSSERS应用应用 五、五、SERSSERS前景前景 2 一、纳米颗粒概述及一、纳米颗粒概述及SERSSERS相关相关历史历史 3 一、纳米颗粒概述及一、纳米颗粒概述及SERSSERS相关相关历史历史 纳米纳米材料材料: : 广义广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度 范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单

2、元 所构成所构成的的材料材料的的总称总称。 纳米纳米材料特性：材料特性： 表面效应表面效应 小小尺寸尺寸效应效应 宏观宏观量子量子隧道效应隧道效应 量子量子限域限域效应效应 4 表面效应表面效应 指指纳米纳米颗颗粒粒表面表面原子数原子数与与总原子数总原子数之比随粒径之比随粒径 变小变小而急剧而急剧增大后所引起的性质上的变化增大后所引起的性质上的变化。 5 表面效应表面效应 6 小尺寸效应小尺寸效应 当当纳米微粒尺寸与纳米微粒尺寸与光波波长光波波长，传导电子，传导电子的的德德 布罗意布罗意波长波长等等物理特征尺寸相当或更小时物理特征尺寸相当或更小时，纳纳 米微粒米微粒的的周期性周期性边界边界将被

3、破坏。将被破坏。 其其结果是纳米材料的结果是纳米材料的声声、光、电、光、电、磁磁、热、热、 力学等性能将异于普通材料。力学等性能将异于普通材料。 7 小尺寸效应小尺寸效应 例如例如，铜颗粒铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电达到纳米尺寸时就变得不能导电； 绝缘的绝缘的二氧化硅二氧化硅颗粒颗粒在在2020纳米时却开始导电纳米时却开始导电。 利用这利用这一一特性特性，可以高效率，可以高效率地地转变转变太阳能为太阳能为热热 能、能、电能。电能。 8 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子微观粒子具有的能够具有的能够贯穿贯穿势垒势垒的的能力能力称为称为隧道隧道 效应效应。 纳米粒子可以纳米粒子可以穿

4、过宏观系统的势垒而产生变化，穿过宏观系统的势垒而产生变化， 这被这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 9 量子限域效应量子限域效应 又称量子尺寸效应，又称量子尺寸效应，当当粒子粒子的的尺寸达到纳米量尺寸达到纳米量 级时级时，费米能级费米能级附近的附近的电子能级电子能级由由连续态分裂成连续态分裂成 分立分立能级能级。 当当能级间距大于热能、能级间距大于热能、磁能磁能、静电能静电能、静磁能、静磁能、 光子光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的 量子效应量子效应。 10 量子限域效应量子限域效应 例如例如，有种，有种金属金属纳

5、米粒子纳米粒子吸收吸收光线能力非常强，光线能力非常强， 在在1.13651.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，千克水里只要放入千分之一这种粒子， 水就会变得完全不透明水就会变得完全不透明。 11 纳米材料分类及应用纳米材料分类及应用 纳米纳米材料材料分为：分为： 纳米粉末纳米粉末 纳米纤维纳米纤维 纳米膜纳米膜 纳米块体纳米块体 12 纳米材料分类及应用纳米材料分类及应用 纳米粉末纳米粉末：粒度：粒度一般一般在在100100nmnm以下以下。介于介于原子、原子、 分子与宏观分子与宏观物体间物体间的的中间中间物态的固体颗粒材料物态的固体颗粒材料。 纳米纳米纤维纤维：直径：直径为纳米为纳米

6、尺度的尺度的线状材料线状材料。 可用可用于：微导线、微于：微导线、微光纤新型光纤新型激光或发光二极激光或发光二极 管材料等。管材料等。 13 纳米材料分类及应用纳米材料分类及应用 纳米膜纳米膜：颗粒膜：颗粒膜、致密致密膜。膜。颗粒膜颗粒膜是纳米颗粒是纳米颗粒 粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致致 密密膜膜是是膜膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。 可用可用于：气体于：气体催化催化、过滤器过滤器、高密度高密度磁记录磁记录材材 料料、光敏材料光敏材料、平面显示器平面显示器、超导超导材料等材料等。 纳米块体纳米块体：将：将纳米粉

7、末高压成型或控制金属液纳米粉末高压成型或控制金属液 体结晶体结晶而而成成。 可用于可用于：超高强度材料；智能金属材料等。超高强度材料；智能金属材料等。 14 拉曼散射历史拉曼散射历史 l 19051905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子 解释解释。 l 19221922年年9 9月，拉曼在光的分子衍射一书中月，拉曼在光的分子衍射一书中 最后提到，如果散射过程能够被看作光量子和最后提到，如果散射过程能够被看作光量子和 散射分子之间的碰撞，他将有与经典的电磁理散射分子之间的碰撞，他将有与经典的电磁理 论所预期的不同的论所预期的不同的结果结果。 l 1923192

8、3年年A.G.S.A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率斯梅卡尔从理论上预言了频率 发生改变的散射。发生改变的散射。 15 拉曼散射历史拉曼散射历史 l海森堡在海森堡在19251925年预言，在可见光中可能也会有年预言，在可见光中可能也会有 类似的效应存在。类似的效应存在。 l19231923年，拉曼和他的助手发现一种年，拉曼和他的助手发现一种“荧光荧光”效效 应应。以以太阳光为光源，观察它穿过蒸馏水的散太阳光为光源，观察它穿过蒸馏水的散 射线射线，并在并在入射光入射光路中加一个紫色滤光路中加一个紫色滤光镜镜，未，未 料料观察观察到一种较通常的散射线波长有微弱变化到一种较通常的散射线波长有微弱

9、变化 的二次射线，他们将此种微弱射线归结为某种的二次射线，他们将此种微弱射线归结为某种 “荧光荧光”现象。现象。 16 拉曼散射历史拉曼散射历史 他们他们不敢轻易下结论，因为这种现象太弱了不敢轻易下结论，因为这种现象太弱了。 之后之后，他们找到了将荧光分离出来的一种手段，他们找到了将荧光分离出来的一种手段， 用屋顶上的定日镜把太阳光送进实验室，经汇用屋顶上的定日镜把太阳光送进实验室，经汇 聚照到实验样品上，入射光路与出射光路分别聚照到实验样品上，入射光路与出射光路分别 放置一对互补放置一对互补滤色镜滤色镜。 17 拉曼散射历史拉曼散射历史 结果结果发现，穿过样品的散射光通过滤光镜后并发现，穿过

10、样品的散射光通过滤光镜后并 未完全消失，还能观测到暗淡的未完全消失，还能观测到暗淡的光线光线。 当时给出当时给出解释为解释为：样品样品中含有某些杂质，激发中含有某些杂质，激发 出荧光出荧光。 1.1. 在在8080多种不同的、经过精心提纯的液体样品多种不同的、经过精心提纯的液体样品 中无一例外的存在着；中无一例外的存在着； 2.2. 在甘油样品实验中，这种现象更为明显，并在甘油样品实验中，这种现象更为明显，并 且最后的出射线已被极化，成了偏振光。且最后的出射线已被极化，成了偏振光。 18 拉曼散射历史拉曼散射历史 拉曼和助手把此现象与克拉姆斯拉曼和助手把此现象与克拉姆斯海森堡的海森堡的 色散理

11、论相联系，称之为色散理论相联系，称之为“分子散射分子散射”。经过。经过5 5 年的研究，年的研究，19281928年年2 2月月1616日，向日，向sciencescience投稿。投稿。 之后，改进试验装置，用大孔径聚光器、汞弧之后，改进试验装置，用大孔径聚光器、汞弧 灯及滤光片获得了较强的单色光。灯及滤光片获得了较强的单色光。19281928年年2 2月月2828 日下午，观察液体散射光谱时，观察到汞弧灯日下午，观察液体散射光谱时，观察到汞弧灯 中没有的若干谱线，在拍摄的光谱照片上还证中没有的若干谱线，在拍摄的光谱照片上还证 实了散射光不仅有实了散射光不仅有红移红移，还有，还有蓝移蓝移。

12、19 拉曼散射历史拉曼散射历史 然而由于当时还未出现关于激光的应用，因此然而由于当时还未出现关于激光的应用，因此 三十年代至六十年代，三十年代至六十年代，拉曼散射的拉曼散射的研究处于一研究处于一 个低潮时期，主要的原因来自激发光源太弱的个低潮时期，主要的原因来自激发光源太弱的 问题问题。 1960 1960 年，红宝石激光器的出现，使得拉曼散年，红宝石激光器的出现，使得拉曼散 射的研究进入了一个全新时期。由于激光器的射的研究进入了一个全新时期。由于激光器的 单色性好，方向性强，功率密度高，用它作为单色性好，方向性强，功率密度高，用它作为 激发光源，大大提高了激发效率。激发光源，大大提高了激发效

13、率。 20 SERSSERS的发现的发现 Fleischmann, M. et. Al., Chem. Phys. Lett. 1974, 26, 163 Jeanmaire, D. L.; Van Duyne, R. P. J. Electroanal. Chem. 1977, 84, 1. Albrecht, M. G.; Creighton, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 5215. 文章文章中，他们报道了吸附在用电化学方法粗糙化的中，他们报道了吸附在用电化学方法粗糙化的银电银电 极表面的吡啶分子极表面的吡啶分子在不同电位下的拉曼光谱，表明了拉在不同

14、电位下的拉曼光谱，表明了拉 曼光谱能与电化学方法联用而测得吸附在电极表面的分曼光谱能与电化学方法联用而测得吸附在电极表面的分 子的信息子的信息。 由此便开启了拉曼散射这一现象的全新应用：由此便开启了拉曼散射这一现象的全新应用：SERSSERS 21 参考文献参考文献 1.1./wiki/纳米颗粒纳米颗粒 2.2.戈丹戈丹, ,千舒千舒. .震惊震惊世界的世界的100100个科学个科学发现发现( (下下).).呼和浩特呼和浩特：内蒙古人：内蒙古人 民出版社民出版社,2007.,2007. 3.Fleischmann, M. et. Al., Chem

15、. Phys. Lett. 1974, 26, 163 4.Jeanmaire, D. L., Van Duyne, R. P. J. Electroanal. Chem. 1977, 84, 1. 5.Albrecht, M. G., Creighton, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 5215. 6.http:/ 础础.pdf 22 二、二、SERSSERS原理原理 23 2.1 2.1 拉曼散射原理拉曼散射原理 拉曼散射拉曼散射： 定义：定义： 指指光波在被光波在被散射散射后频后频 率发生变化的率发生变化的现象现象 图片来源：图片来源： httpht

16、tp:/www.raman.de/assets/img/raman-:/www.raman.de/assets/img/raman- intensities.jpgintensities.jpg 24 2.1.1 2.1.1 光的光的粒子性的粒子性的角度角度 光子光子与与分分子子的非弹性碰撞的非弹性碰撞 25 2.1.2 2.1.2 能级跃迁角度能级跃迁角度 拉曼散射拉曼散射的入射光子的能量不等于分子任意两能的入射光子的能量不等于分子任意两能 级之间的能级之间的能级差。级差。 虚能级：虚能级： 分子分子在这段时间内能保存从入射光子处吸收的能在这段时间内能保存从入射光子处吸收的能 量，此时分子能

17、量量，此时分子能量比基态比基态高，但又不对应任何一高，但又不对应任何一 个真实的能级，我们称此时分子处于一个虚能级个真实的能级，我们称此时分子处于一个虚能级。 虚能级是虚能级是一种非常短暂的，不可观察的一种非常短暂的，不可观察的量子态。量子态。 26 2.1.2 2.1.2 能级跃迁角度能级跃迁角度 27 基态基态 激发态激发态 虚能级虚能级 h(v0-v) 斯托克斯线斯托克斯线 v v0 0- -v v hv0 hv0 瑞利散射瑞利散射 v v0 0 h(v0+v) 反斯托克斯线反斯托克斯线 v v0 0+ +v v 散射线的强度散射线的强度 如何解释？如何解释？ 虚能级虚能级 hv0hv0

18、 2.1.2 2.1.2 能级跃迁角度能级跃迁角度 根据波尔兹曼分布，处于基态的粒子数远大于根据波尔兹曼分布，处于基态的粒子数远大于 处于振动激发态的粒子处于振动激发态的粒子数数 Anti-StokesAnti-Stokes谱线与谱线与StokesStokes谱线的谱线的强强度度比比满足公满足公 式：式： 28 2.1.3 2.1.3 诱导偶极矩诱导偶极矩角度角度 29 2.2 2.2 表面增强原理表面增强原理 30 2.2.1 2.2.1 电磁增强电磁增强 31 2.2.1 2.2.1 电磁增强电磁增强 32 2.2.1 2.2.1 电磁增强电磁增强 33 2.2.1 2.2.1 电磁增强电

19、磁增强 34 2.2.1 2.2.1 电磁增强电磁增强 35 2.2.2 2.2.2 化学增强化学增强 化学化学增强被定义为样品分子吸附在衬底上时增强被定义为样品分子吸附在衬底上时极化率极化率 的变化的变化。 增强的数量级：增强的数量级：10-10010-100 电荷转移模型（普遍接受）电荷转移模型（普遍接受） 36 2.2.2 2.2.2 化学增强化学增强 电荷转移模型电荷转移模型 Type I: Type I: 样品分子样品分子没有与纳米金属粒子共价结合没有与纳米金属粒子共价结合 Type II: Type II: 样品分子与金属纳米粒子共价结合或通样品分子与金属纳米粒子共价结合或通 过电

20、解质离子间接结合过电解质离子间接结合 Type III: Type IIType III: Type II的更加复杂的形式的更加复杂的形式 包含光驱动的电荷转移的过程包含光驱动的电荷转移的过程 37 参考文献参考文献 1.1.http:/www.raman.de/assets/img/raman-intensities.jpg 2 2. ./wiki/Virtual_state 3.3.董炎明董炎明, ,熊晓鹏熊晓鹏, ,郑薇等郑薇等. .高分子研究高分子研究方法方法. .中国中国石化出版石化出版 社社,2011,04:,2011,04:222-2

21、24.222-224. 4.4.Eric C. Le Ru, Pablo G. Etchegoin. Principles of surface enhanced raman spectroscopy and related plasmonic effects. Elsevier Science, 2008, 11: 185-264. 5. 兰燕娜兰燕娜, ,周玲周玲. . 表面增强拉曼光谱表面增强拉曼光谱J. J. 南通工学院学报南通工学院学报( (自然科自然科 学版学版), 2004, (02):21-23.), 2004, (02):21-23. 38 三、三、SERSSERS仪器仪器

22、39 三、三、SERSSERS仪器仪器 仪器的种类及结构仪器的种类及结构组成组成1-31-3 纳米基底或探针的制备纳米基底或探针的制备4-64-6 40 色散型激光拉曼光谱仪色散型激光拉曼光谱仪 41 傅立叶变换拉曼光谱仪傅立叶变换拉曼光谱仪 42 衬底或探针的衬底或探针的制备制备 表面增强拉曼散射光谱是需要利用表面具有纳表面增强拉曼散射光谱是需要利用表面具有纳 米级粗糙度（贵）金属（或金属纳米粒子）作米级粗糙度（贵）金属（或金属纳米粒子）作 为分析物衬底来产生为分析物衬底来产生 SERS SERS 效应效应 衬底纳米材料的性质主要是由材料本身的尺寸、衬底纳米材料的性质主要是由材料本身的尺寸、

23、 形状、材料种类等因素决定形状、材料种类等因素决定 某些情况下，衬底纳米材料尺寸结构或形状发某些情况下，衬底纳米材料尺寸结构或形状发 生了微小的变化，可能导致生了微小的变化，可能导致 SERS SERS 增强因子产增强因子产 生几个数量级的变化生几个数量级的变化 43 衬底衬底或探针的制备或探针的制备 金属纳米粒子溶胶溶液金属纳米粒子溶胶溶液 纳米纳米光刻法光刻法 模板模板法法 光纤探针光纤探针 44 金属纳米粒子溶胶溶液金属纳米粒子溶胶溶液 制备制备方法方法 柠檬酸三钠还原法：取一定量的硝酸银溶液转柠檬酸三钠还原法：取一定量的硝酸银溶液转 移至移至250ml250ml圆底烧瓶中，油浴加热，不

24、断搅拌。圆底烧瓶中，油浴加热，不断搅拌。 待溶液沸腾后将一定量的柠檬酸三钠溶液逐滴待溶液沸腾后将一定量的柠檬酸三钠溶液逐滴 加入硝酸银溶液中，滴加完成后，继续加热搅加入硝酸银溶液中，滴加完成后，继续加热搅 拌拌60min60min后，停止加热，自然冷却，得到灰色的后，停止加热，自然冷却，得到灰色的 银溶胶，倒入棕色的广口瓶中避光保存。银溶胶，倒入棕色的广口瓶中避光保存。 45 金属纳米粒子溶胶溶液金属纳米粒子溶胶溶液 优点：优点： 制备简便易行制备简便易行 增强增强效应比较效应比较好好 缺点缺点： 适用范围适用范围小小 金属金属溶胶是一种亚稳态体系溶胶是一种亚稳态体系, ,加入分析物后粒子加入

25、分析物后粒子 容易聚集容易聚集, ,但溶胶的聚集程度难以控制但溶胶的聚集程度难以控制, ,导致拉导致拉 曼信号的重现性差曼信号的重现性差 46 纳米光刻法纳米光刻法 直接在固体基底上制备的纳米结构直接在固体基底上制备的纳米结构SERSSERS衬底衬底 最常用的现代光刻技术为聚焦离子束和最常用的现代光刻技术为聚焦离子束和电子束电子束 光刻技术光刻技术 可以精确控制纳米结构的大小和形状可以精确控制纳米结构的大小和形状 47 纳米光刻法纳米光刻法 48 电子束光 刻原理图 纳米光刻法纳米光刻法 电子束光刻技术：电子束光刻技术： 把把10-50keV10-50keV的电子束聚焦在的电子束聚焦在SiOx

26、/SiSiOx/Si固体基底上，固体基底上， 并在其表面涂上电子束抗蚀剂，电子束选择性并在其表面涂上电子束抗蚀剂，电子束选择性 的腐蚀掉预定形状区域表面的抗蚀剂，形成预的腐蚀掉预定形状区域表面的抗蚀剂，形成预 定形貌的纳米粒子阵列定形貌的纳米粒子阵列 49 纳米光刻法纳米光刻法 50 EBL方法制备的阵列结构SERS衬底的SEM图 纳米光刻法纳米光刻法 电子束光刻法电子束光刻法 优点：优点： 与一般的光学光刻法相比，成本较低与一般的光学光刻法相比，成本较低 精确控制纳米粒子的形状、大小以及粒子间隔，精确控制纳米粒子的形状、大小以及粒子间隔， 重现性重现性好好 缺点：缺点： 耗时，产量低耗时，产

27、量低 邻近效应限制分辨率邻近效应限制分辨率 51 模板法模板法 把可控几何形状的金属纳米粒子沉积在模板上把可控几何形状的金属纳米粒子沉积在模板上 模板的直接合成是一个宽泛的研究领域模板的直接合成是一个宽泛的研究领域，常用，常用 的模板主要分为的模板主要分为硬模板硬模板和软模板和软模板 52 模板法模板法 硬模板：硬模板： 阳极氧化铝模板（阳极氧化铝模板（AAOAAO）是一种蜂窝状密集排列）是一种蜂窝状密集排列 的数以万计的纳米级孔结构，常被用来制备高的数以万计的纳米级孔结构，常被用来制备高 性能的性能的SERSSERS衬底衬底 53 模板法模板法 54 硬模板法 制备Ag纳 米棒及其 应用示例

28、 模板法模板法 55 不同浓度的 R6G溶液在 这种SERS衬 底上的拉曼 光谱 模板法模板法 优点：优点： 使大规模生产得以实现使大规模生产得以实现 成本较低成本较低 硬膜硬膜法重现性较好法重现性较好 软膜法能制备不同形状的纳米结构软膜法能制备不同形状的纳米结构 缺点：缺点： 硬膜法所得纳米结构比较单一硬膜法所得纳米结构比较单一 软膜法重现性相比硬膜法较差软膜法重现性相比硬膜法较差 56 光纤探针光纤探针 利用光纤材料，经过适当地物理或者利用光纤材料，经过适当地物理或者化学处理化学处理 使光纤针头表面粗糙化，再利用使光纤针头表面粗糙化，再利用自组装自组装、激光、激光 诱导、真空蒸镀等方法在其

29、表面镀上一层金属诱导、真空蒸镀等方法在其表面镀上一层金属 纳米粒子纳米粒子 锥形、直形、锥形、直形、D D形、楔形形、楔形 57 光纤探针光纤探针 锥柱组合型光纤探针是先经氢氟酸腐蚀出锥柱锥柱组合型光纤探针是先经氢氟酸腐蚀出锥柱 结构结构, , 再通过自组装法把银纳米颗粒修饰到光再通过自组装法把银纳米颗粒修饰到光 纤纤表面表面 58 光纤探针光纤探针 59 光纤表面SERS活性基底的制作: 羟基化过程 氨基化过程 银纳米颗粒自组装 光纤探针光纤探针 60 锥柱型光纤探针表面上银纳米颗粒的扫描 电子显微镜(SEM)图像 光纤探针光纤探针 61 锥柱形探针灵敏度检测 光纤探针光纤探针 优点优点：

30、方法简单方法简单、可靠且、可靠且低成本低成本 重现重现性较好，可以满足一般样品检查性较好，可以满足一般样品检查 远程传感远程传感功能功能 缺点：缺点： 不能精确控制纳米粒子镀层的参数不能精确控制纳米粒子镀层的参数 62 参考文献参考文献 1.1.潘铁英潘铁英, ,康燕康燕, ,钱钱枫枫. .波谱波谱解析解析法法( (第三版第三版)M.)M.上海上海：华东理工大华东理工大 学出版社学出版社,2015,07:141.,2015,07:141. 2.2.周周宇宇超超. .拉曼光谱仪拉曼光谱仪J.J.中国中国医学医学装备装备,2004,1(4).,2004,1(4). 3.3.李淑玲李淑玲. .拉曼光

31、谱仪及其应用进展拉曼光谱仪及其应用进展J.J.岩矿测试岩矿测试,1998,17(4).,1998,17(4). 4.4.董前民等董前民等. .表面增强拉曼散射衬底的研究及应用表面增强拉曼散射衬底的研究及应用J.J.光谱学与光光谱学与光 谱分析谱分析,2013,33(6).,2013,33(6). 5.Ding H P, Wang M Chen L J, et al. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2011,387,(1-3):1. 6.6.郭旭东等郭旭东等. .锥锥柱型光纤探针在表面增强拉曼散

32、射方面的柱型光纤探针在表面增强拉曼散射方面的应用应用J.J. 物理学报物理学报,2017,66(4).,2017,66(4). 63 四、四、SERSSERS应用应用 64 四、四、SERSSERS应用领域应用领域 分析化学分析化学 生物医学检测生物医学检测 表面吸附和催化反应表面吸附和催化反应 金属防腐金属防腐 65 FOCUSFOCUS SERSSERS纳米纳米传感器在活细胞中的传感器在活细胞中的应用应用 SERSSERS“分子前哨分子前哨”（SERS-MSSERS-MS） 66 SERSSERS纳米纳米传感器在活细胞中的应用传感器在活细胞中的应用 在活细胞研究中在活细胞研究中SERSSE

33、RS的优势的优势 纳米颗粒的纳米颗粒的选择选择 金金纳米探针进入活细胞的纳米探针进入活细胞的过程过程 SERSSERS光谱分析结果光谱分析结果 对金纳米颗粒的保护对金纳米颗粒的保护 吲哚吲哚菁绿信号标记的菁绿信号标记的SERSSERS纳米纳米传感器（传感器（ICG-ICG- SERSSERS） 67 在活细胞研究中在活细胞研究中SERSSERS的优势的优势 在关于活细胞，组织和微生物的众多研究中，在关于活细胞，组织和微生物的众多研究中， 有两个主要参数有两个主要参数： 1 1. .横向分辨率，影响生物体的大小，横向分辨率，影响生物体的大小，数量和数量和异异 质性质性（s s）信息）信息； 2

34、2. .检测灵敏度：影响测量的持续时间以及样品检测灵敏度：影响测量的持续时间以及样品 的完整性，时间分辨率和体内适用性。的完整性，时间分辨率和体内适用性。 SERSSERS的优势：的优势：1 1. .横向分辨率高；横向分辨率高；2.2.检测灵敏度检测灵敏度 高。高。 68 纳米颗粒的选择纳米颗粒的选择 要求要求： 1 1. .金属纳米结构需要与生物系统相容金属纳米结构需要与生物系统相容; ; 2 2. .材料应该是惰性的，如果可能，不影响其周材料应该是惰性的，如果可能，不影响其周 围环境围环境。 69 金纳米探针进入活细胞的过程金纳米探针进入活细胞的过程 在用在用SERSSERS纳米纳米传感器

35、探测活细胞的过程传感器探测活细胞的过程中，许中，许 多多细胞本身不需要进一步的诱导就能吸收细胞本身不需要进一步的诱导就能吸收纳米纳米 探针探针。该方法可用于选择性地探测细胞中囊泡该方法可用于选择性地探测细胞中囊泡 转运中涉及的细胞亚结构转运中涉及的细胞亚结构。 70 金纳米探针进入活细胞的过程金纳米探针进入活细胞的过程 71 SERSSERS光谱分析光谱分析结果结果 72 对金纳米颗粒的保护对金纳米颗粒的保护 不同不同的方法已被提出保护金的方法已被提出保护金纳米纳米颗粒颗粒，例如使用例如使用 牛血清白蛋白牛血清白蛋白。在添加。在添加胎牛血清（胎牛血清（FCSFCS）的培养的培养 条件下，可以防

36、止培养基条件下，可以防止培养基中金纳米颗粒的中金纳米颗粒的絮凝，絮凝， 胶体粒子能够稳定数天之久。将纳米颗粒浸入含胶体粒子能够稳定数天之久。将纳米颗粒浸入含 FCSFCS的培养基中的的培养基中的TEMTEM研究结果表明，除了单个颗研究结果表明，除了单个颗 粒之外，形成的纳米聚集体的直径大约只有粒之外，形成的纳米聚集体的直径大约只有 100nm100nm。 73 （a a）浸入细胞培养液（内含胎牛血清）中的金纳米粒）浸入细胞培养液（内含胎牛血清）中的金纳米粒 子的电子显微镜子的电子显微镜照片照片 （b b）用金纳米颗粒（箭头）孵育）用金纳米颗粒（箭头）孵育2 2小时后，在内体中显小时后，在内体中

37、显 示单个颗粒的上皮细胞的电子显微照片示单个颗粒的上皮细胞的电子显微照片 74 吲哚菁绿信号标记的吲哚菁绿信号标记的SERSSERS纳纳 米传感器（米传感器（ICG-SERSICG-SERS） 利用利用SERSSERS方法创建具有高灵敏度，特异性和空方法创建具有高灵敏度，特异性和空 间定位的光学标签对于细胞内探测是非常有必间定位的光学标签对于细胞内探测是非常有必 要的要的，可以在细胞环境中提供化学分子和结构，可以在细胞环境中提供化学分子和结构 信息的标签对于细胞研究将更有帮助。信息的标签对于细胞研究将更有帮助。 生物相容性染料吲哚菁绿（生物相容性染料吲哚菁绿（ICGICG）经常被用作生）经常被

38、用作生 物医学应用的荧光标记物。因此物医学应用的荧光标记物。因此ICG-SERSICG-SERS纳米纳米 传感器在生物医学方面也得到了广泛应用。传感器在生物医学方面也得到了广泛应用。 75 （a a）使用）使用激发波长激发波长786nm786nm获得的银（痕量获得的银（痕量A A）和金（痕量）和金（痕量B B） 胶体溶液中胶体溶液中的的1010-7 -7MICG-SERS MICG-SERS光谱。光谱。 （b b）含有与）含有与HSAHSA结合的结合的5 51010-6 -6M M吲哚菁绿（ 吲哚菁绿（ICGICG）的银和金）的银和金 胶体样品溶液（分别为光谱胶体样品溶液（分别为光谱A A和和

39、B B）的消光光谱。）的消光光谱。 插图显示插图显示 了在水中与了在水中与HSAHSA结合的结合的5 51010-6 -6M ICG M ICG的吸收。的吸收。 76 ICG-SERSICG-SERS的应用的应用 为了研究为了研究HSAHSA对对SERSSERS光谱的影响，我们测量了在金胶体溶液中与光谱的影响，我们测量了在金胶体溶液中与 HSAHSA结合的纯结合的纯ICGICG和和ICGICG的光谱。的光谱。 两个光谱显示出非常相似的特征。两个光谱显示出非常相似的特征。 这些发现与最近的观察结果非常一致，即血清白蛋白不会干扰这些发现与最近的观察结果非常一致，即血清白蛋白不会干扰 SERSSER

40、S的检测。的检测。 光谱之间光强的差异非常可能与无光谱之间光强的差异非常可能与无HSAHSA样品中染料样品中染料 聚集体的形成有关。聚集体的形成有关。 这个实验证明了这个实验证明了HSAHSA处理处理的重要性。的重要性。 77 SERSSERS“分子前哨分子前哨”（SERS-MSSERS-MS） SERSSERS“分子前哨分子前哨”是一是一种新的诊断方法，其涉种新的诊断方法，其涉 及等离子体激元基纳米及等离子体激元基纳米探针，探针，由一端具有拉曼由一端具有拉曼 标记分子的标记分子的DNADNA发夹环和另一端的金属纳米颗粒发夹环和另一端的金属纳米颗粒 组成。组成。 MSMS纳米纳米探针探针具有具

41、有两两个基本特征个基本特征： 1 1. .等离子体激元效应的调制以改变标记的等离子体激元效应的调制以改变标记的SERSSERS 光谱强度光谱强度; ; 2.DNA2.DNA发夹环序列识别和鉴别各种分子靶序列的发夹环序列识别和鉴别各种分子靶序列的 特异性。特异性。 78 金属表面存在着大量的价电金属表面存在着大量的价电 子，它们自由地运动在费米子，它们自由地运动在费米 面内，由于库仑作用的长程面内，由于库仑作用的长程 性，导致电子系统存在着集性，导致电子系统存在着集 体激发，其密度起伏相对于体激发，其密度起伏相对于 原子核的正电荷背景而言，原子核的正电荷背景而言， 形成一个正负离子的集体的形成一

42、个正负离子的集体的 振荡，如图所示，称为表面振荡，如图所示，称为表面 等离子体激等离子体激元。被激发的表元。被激发的表 面等离子体激元，会在纳米面等离子体激元，会在纳米 材料附近材料附近形成形成比激发电场强比激发电场强 数倍甚至数十倍的电场数倍甚至数十倍的电场 79 当当MSMS探针处于发夹（闭合状态）构象时，探针处于发夹（闭合状态）构象时，SERSSERS信号信号 被检测到，而被检测到，而SERSSERS信号在开放（杂交）状态下降低信号在开放（杂交）状态下降低 80 当当拉曼标记物与纳米颗粒接触或接近时（拉曼标记物与纳米颗粒接触或接近时（1nm1nm），）， 诱导相邻的拉曼标记分子产生强的诱

43、导相邻的拉曼标记分子产生强的SERSSERS效应。在正效应。在正 常条件下，当用激光激发拉曼标签时，发夹环配置常条件下，当用激光激发拉曼标签时，发夹环配置 与强的与强的SERSSERS信号一致。然而，当与互补靶信号一致。然而，当与互补靶DNADNA进行进行 杂交时，发夹环开放并物理分离拉曼标记物与纳米杂交时，发夹环开放并物理分离拉曼标记物与纳米 颗粒。颗粒。由于由于SERSSERS的光谱信号强烈的光谱信号强烈依赖于拉曼标记和依赖于拉曼标记和 金属纳米金属纳米颗粒之间颗粒之间的距离的距离d d，杂交过程导致，杂交过程导致SERSSERS效效 应的强烈降低。应的强烈降低。 等离子体激元纳米探针起到

44、分子前哨的作用，巡视等离子体激元纳米探针起到分子前哨的作用，巡视 样品溶液，当没有显着事件发生时，其警告灯样品溶液，当没有显着事件发生时，其警告灯“开开 启启”。每当识别和检测到。每当识别和检测到目标目标DNADNA时时，分子哨兵就，分子哨兵就 会熄灭它们的光，从而提供可测量的光学信号变化。会熄灭它们的光，从而提供可测量的光学信号变化。 81 使用使用SERS“SERS“分子前哨分子前哨” 探针检测探针检测HIV1HIV1序列：没序列：没 有靶有靶DNADNA序列的序列的HIV1 HIV1 SERS-MSSERS-MS纳米探针的纳米探针的SERSSERS 光谱（上曲线：空白）光谱（上曲线：空白

45、） 和存在非互补和存在非互补DNADNA靶序列靶序列 （中间曲线：阴性诊断）（中间曲线：阴性诊断） 和互补的和互补的HIV1 DNAHIV1 DNA靶标靶标 （下曲线：阳性诊断）。（下曲线：阳性诊断）。 来自来自SERMSSERMS纳米探针的纳米探针的 SERSSERS信号的阈值电平用信号的阈值电平用 虚线表示虚线表示 82 参考文献参考文献 1 1. .韩晓韩晓霞霞. .基于基于表面增强拉曼散射的蛋白质检测方法表面增强拉曼散射的蛋白质检测方法研究研究D.D.吉林吉林 大学大学,2009,5.,2009,5. 2.2.兰燕娜兰燕娜, ,周玲周玲. .表面表面增强增强拉曼光谱拉曼光谱J.J.南通

46、南通工学院工学院学报学报( (自然科学自然科学 版版) ), ,2004,(02)2004,(02): :21-23.21-23. 3.3.Kneipp, Katrin, Moskovits, Martin, Kneipp, Harald. Surface- Enhanced Raman Scattering: Physics and ApplicationsM. Springer, 2006: 335-349, 409-426. 83 五五、SERSSERS前景前景 84 1 1、新兴应用、新兴应用 非标记的组织非标记的组织SERSSERS检测检测 临床肿瘤病理的临床肿瘤病理的分子水平分子水平 SERSSERS尚未开展尚未开展活体研究活体研究 TERSTERS技术技术 TERS & TERS & 内窥镜内窥镜 85 1 1、新兴应用、新兴应用 86 1 1、新兴应用、新兴应用 87 1 1、新兴应用、新兴应用 免疫检测免疫检测 以标记以标记DTNBDTNB的金纳米粒子作为探针，首次开展的金纳米粒子作为探针，首次开展 SERSSERS技术原位检测人前列腺组织切片中技术原位检测人前列腺组织切片中PSAPSA抗原抗原 的表达的表达 研究发现上皮细胞中有很强的研究发现上皮细胞中有很强的SERSSERS信号，而间信号，而间 质或腺腔中未探测到质或腺腔中未探测到SERSSE