表面增强拉曼散射光谱在细胞研究中的应用

1、表面增强拉曼散射光谱在细胞研究中的应用论文导读：具有非破坏性和指纹式的分辨能力的SERS对细胞的研究、样品的选择性激发和信号收集等方面都显示出良好的应用前景。 关键词：表面增强拉曼散射光谱，细胞引言：作为一种以光子作探针的、实时实地的探测手段，表面增强拉曼散射（SERS）不仅可以产生高强度、低背景的信号，而且在可见光或近红外的激发下具有较高的空间分辨率；共焦显微术结合SERS光谱术可以实现无损三维层析检测。具有非破坏性和指纹式的分辨能力的SERS对细胞的研究、样品的选择性激发和信号收集等方面都显示出良好的应用前景。 1. 表面增强拉曼散射光谱简介 Fleishmann 等人1于1974 年首次

2、发现表面增强拉曼散射(surfaceenhanced Raman scattering, SERS)，随后Van Duyne 及其合作者通过系统的实验和计算发现吸附在粗糙银表面上的每个吡啶分子的拉曼散射信号与溶液相中的吡啶的拉曼散射信号相比，增强约6个数量级，指出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应，被称为SERS效应2。SERS 效应给出的是具有分子水平的信息,对分子和界面具有可观的普适性,为研究表面现象提供了有力的工具。获得一张效果好的SERS光谱的关键是吸附基底的选择和制备，常见的基底有金属溶胶、金属电极、金属岛膜等。其中基底包括了有限的几种不同形态的金属(Ag, Au, Cu, Al,

3、 In, Li, andNa) 3。各类金属溶胶用作SERS 基底的报道占有很大比例, 并朝着一种制备方便、稳定性好、信号强的方向努力。目前利用激光刻蚀技术, 然后分别用水或其它溶剂作修饰, 可以很成功地制备化学纯度很高的胶体SERS 活性体系4。免费论文网。 2. 细胞的SERS研究 随着纳米粒子合成技术的提高、生物分子标记技术的发展, 纳米粒子用于生物分子标记已成为近几年的研究热点。具有单分子探测灵敏度的SERS光谱术在细胞内的应用越来越取得人们的重视。 在生物体系研究方面，SERS可直接用于分析水相生物分子的结构状态且所需样品用量少5。将SERS技术用于生物研究的先驱是Koglin和Se

4、qaris6 (最早研究核酸碱基和DNA)、Nabiev7(最早研究氨基酸、膜蛋白和核酸)、Cotton8（最早研究有色蛋白）等。免费论文网。 自Sequaris9采用SERS 技术首次报道了DNA 与铂配合物的相互作用以来, 很多小组都加入了这个研究行列, 在较理想的情况下, 可以得到抗癌药物完整的振动模式。 Efrima等人将银纳米粒子选择性地吸附在E.Coli细菌中或壁上，可以观测到细菌壁不同成分的SERS光谱，如蛋白质、肽和氨基酸等10。 1990年，Kochman等人将银溶胶引入活细胞，利用SERS监视药物在细胞内的分布情况以及抗肿瘤药物/核酸复合物11 。 Nabiev研究小组从新

5、型SERS活性培养基，建立细胞内部物质相互反应模型，研究活细胞的药物动力学以及分析细胞膜成分等方面探讨了SERS的作用12。 腺嘌呤分子发光的猝灭现象和强度波动通过吸附在银胶粒子上的单个腺嘌呤分子的SERS光谱研究而被观察到。实验结果表明利用SERS光谱术有可能实现快速准确的DNA测序13 。 为了避免可见光激发带来的自发荧光背景干扰和细胞退化，2002年，Kneipp小组利用金溶胶与生物细胞的相容性及近红外激发，通过培养方式把金溶胶粒子引入到活细胞内，得到了活细胞内各种成分的表面增强拉曼光谱图，提供了一种对细胞内组分进行灵敏的结构性选择检测的方法14。 在2007年杂志NANO LETTER

6、S上，XiaohuaHuang和 Ivan H等人发现人类口腔癌细胞能聚集和排列在与抗表皮生长因子受体抗体结合的金纳米棒上，从而取得了癌细胞的高增强的，尖锐的和偏振的表面拉曼光谱，根据这些观察到的性质，认为其是一个有潜能的癌症诊断指标15。 由于表面增强拉曼光谱散射成像实现了在活细胞的特殊癌标志物的靶向和成像，在Sangyeop Lee和Sungyong Kim等人的研究中：他们制备了金核银壳的钠米粒结合单克隆的抗体的探针，生物金属纳米探针去标志活细胞的这一过程已经被发展并且用于活细胞的高灵敏的SERS成像16。 通过表面增强拉曼散射检测，Scaffidi等人阐述了对PH值敏感的共振激活光纤光

7、学纳米探针的发展与应用，其适用于单个活性人细胞的生物分析。他们检测了HMEC-15/hTERT正常人乳腺上皮细胞和PC-3人前列腺癌细胞的PH值，说明了基于SERS的光纤光学的有效性17。 近期，Janina Kneipp18等人论证了可用于活细胞成像的高灵敏度的SERS标志探针。标志物由金纳米粒子和玫瑰红或结晶紫组成。稳定和无毒的标志物不仅不会造成光漂白，还能被任意的波长激发，尤其是在近红外区。免费论文网。另外，金纳米粒子的局部光学区域的表面增强拉曼光谱可以提供细胞内标志物的分子环境的高灵敏度信息，并且可对细胞的元素进行成像。 SERS光谱信号只来自近纳米结构区域，这和强拉曼信号的产生紧密相

8、关19。在活性生物系统的目标生物化学研究中，强拉曼信号使得人们对SERS这个工具越来越感兴趣。 3. 关于鼻咽癌的思考与建议 鼻咽癌（NPC）具有显著的人种和地域分布;在北美和其它西方国家, 鼻咽癌是种罕见恶性疾病，但位于中国南方的广东本地人却是此病的高发人群。中国南方鼻咽癌的基因聚集表明了基因的易感性和环境因素的影响。如今对鼻咽癌细胞的研究手段主要有：放射诱导，免疫组化定量分析，基因研究，光动力学研究。以上的综述可以说明将表面增强拉曼光谱术应用于鼻咽癌细胞的研究是可行并充满活力的。将金、银溶胶粒子和核壳结构的溶胶粒子培养到正常鼻咽活细胞和鼻咽癌活细胞内从而得到了活细胞内各种成分的表面增强拉曼

9、光谱图，国内外关于此选题的文献尚无查到，若能取得鼻咽癌活性细胞内DNA分子等各种成分的表面增强拉曼光谱图，对鼻咽癌的研究将取得突破！ 因此我们推断SERS光谱术和显微拉曼光谱技术可用于鼻咽癌细胞的成分研究，从而在鼻咽癌早期诊断方面具有广阔的应用前景。 4. 结束语 随着理论研究的深入和实验方法的改进，SERS增强因子从最初的104-106左右提高到了1014-1015。超高灵敏度检测为生命科学及细胞研究提供了一个很好的手段，人们也将建立一种可同时包容物理和化学增强机理，并圆满解释各种实验现象的SERS理论，SERS技术也将成为表面科学和纳米科学的一个有力和通用的工具20。参考文献 1M. Fl

10、eischmann, P. J. Hendra,A. McQuillan A. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode.Chemical Physics Letters, 1974, 26(2): 163 - 166. 2D. L. Jeanmaire, R. P. Van Duyne. SurfaceRaman spectroelectrochemistry Part1. heterocyclic, aromatic, and aliphaticamines adsorbed on the anodized silve

11、r electrode. J. Electroanal. Chem.,1977,84:1-20. 3C. H. Munro, W. E. Smith, M.Garner, et al. Characterization of the surface of a citrate-reduced colloid optimizedfor use as a substrate for surface-enhanced resonance Raman scattering. Langmuir,1995,11:3712-3720. 4孙献文, 朱纪春, 张振龙, 等. 激光刻蚀银胶的制备及其SERS 应用

12、. 光散射学报, 2003, 15(3): 123-126. 5蒋芸, 崔颜, 姚建林, 等. 表面增强拉曼光谱研究以4,4-联吡啶为标记分子的免疫检测. 化学学报, 2006, 64(03):240244. 6E. Koglin, J. M. Sequaris. Surfaceenhanced Raman scattering(SERS) of nucleic acid bases adsorbed on silvercolloids. J. Mol. Struct., 1984,114:219-223. 7I. R. Nabiev, G. D. Chumanov, R. G.Efremov

13、. Surface-enhanced Raman spectroscopy of biomolecules. II: Applicationof short- and long-range components of SERS to the study of the structure andfunction of membrane proteins. Journal of Raman spectroscopy, 1990, 21: 49-53. 8T. M. Cotton, S.G. Schultz, R. P. Van Duyne. Surface-enhanced resonanceRa

14、man scattering from cytochrome c and myoglobin adsorbed on a silver electrode.J. Am. Chem. Soc., 1980, 102:7960-7962. 9J. M. Sequaris, E. Koglin, B. Malfoy. Interand outer complexes of platinum-coordination compounds with DNA probed bysurface-enhanced. FEBSLett., 1984, 173: 95-98. 10S. Efrima. Surfa

15、ce enhanced Raman scattering. Mod. Aspects. Electrochem., 1985,16, 253-369. 11S. Kochman, S. Lefebvre, J. Bernard, et a1. Toluene diisocyanate-inducedconformational changes of serum albumin: a study on repeated inhalations inguinea-pigs.Toxico Lett., 1990, 50: 165-171. 12I. Nabiev, A. Baranov, I. Ch

16、ourpa, et a1. Does Adsorption on the Surface of aSilver Colloid Perturb Drug/DNAInteractions? Comparative SERS, FT-SERS, and Resonance Raman Study ofMitoxantrone and Its Derivatives. J. Phys. Chem., 1995, 99: 16081613. 13M. Ishikawa, Y. Maruyama, J. Y. Ye, et a1.Single-molecule imaging and spectrosc

17、opy of adenine and an analogof adenine using surface-enhanced Raman scattering andfluorescence.Journal of Luminescence, 2002, 98: 81-89. 14 K.Kneipp, A. S. Haka, H. Kneipp, et a1.Surface-enhanced Raman spectroscopy in single living cells using gold nanoparticles.Appl. Spectrosc., 2002, 56: 150-154.

18、15 Xiaohua Huang, Ivan H. El-Sayed,Wei Qian, et a1. Cancer cells assemble and align gold nanorodsconjugated to antibodies to produce highly enhanced, sharp, and polarized surfaceraman spectra: a potential cancer diagnostic marker. Nano Letters, 2007, 7(6):1591-1597. 16 S. Lee, S.Kim, J. Choo, et a1. Biological imaging ofHEK293 cells expressing PLC1 using surface-enhanced Raman micros