三維金-蟬翅基底的表面增強(qiáng)拉曼散射性能研究及其在生物檢測(cè)方面的應(yīng)用.pdf

1、表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)是一種高效的光譜檢測(cè)技術(shù),能豐富地反映分子的結(jié)構(gòu)信息,因此又常被稱作是分子的指紋譜。SERS技術(shù)不僅繼承了常規(guī)拉曼檢測(cè)的無損檢測(cè)、制樣簡(jiǎn)單、快速等所有優(yōu)點(diǎn),還克服了靈敏度低、易受熒光干擾等缺點(diǎn),對(duì)拉曼信號(hào)的增強(qiáng)高達(dá)105-106,對(duì)待測(cè)物質(zhì)的檢測(cè)甚至可以達(dá)到10-14 mol/L以下的單分子水平。用來制備SERS基底的材料包括金(Au)、銀(Ag)、銅等貴金屬,其中Ag的SERS增強(qiáng)性能最佳,但易氧化,Au的

2、增強(qiáng)能力相對(duì)較弱、但具備良好的抗氧化性能及生物兼容性。
　　本文以天然的具有三維周期性納米結(jié)構(gòu)的蟬翅為材料,通過電子束蒸發(fā)設(shè)備在其上蒸鍍金納米顆粒(Au NPs),制備出高SERS活性、高信號(hào)重現(xiàn)性、時(shí)間穩(wěn)定性好、可多次循環(huán)使用的金/蟬翅(Au/cicadawing)基底。在對(duì)該基底的形貌結(jié)構(gòu)、SERS性能等方面進(jìn)行系統(tǒng)表征與結(jié)構(gòu)分析的同時(shí),利用時(shí)域有限差分方法(FDTD)對(duì)Au/cicadawing基底進(jìn)行了模擬,探究“熱點(diǎn)”分

3、布規(guī)律及其增強(qiáng)機(jī)制?；贏u/cicada wing基底,我們進(jìn)行了針對(duì)植物油中不飽和脂肪酸含量檢測(cè)和間接法定量、痕量檢測(cè)輔酶還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinamide-adenine dinucleotid,NADH)的應(yīng)用研究。兩項(xiàng)應(yīng)用研究均具有一定的創(chuàng)新性,構(gòu)建出了新穎的生物分子檢測(cè)系統(tǒng),成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物油的鑒別及痕量NADH的定量檢測(cè)。論文的主要內(nèi)容分為以下四個(gè)方面:
　　一、Au/cicada

4、wing基底的制備及結(jié)構(gòu)表征。將蟬翅完整剪下后分別放入去離子水、丙酮、酒精中各超聲清洗5分鐘以去除表面的雜質(zhì),保留表面三維納米柱陣列結(jié)構(gòu)。選取完整、干凈、透明的蟬翅進(jìn)行蒸鍍,利用電子束蒸發(fā)設(shè)備在蟬翅表面沉積50nm厚度的Au NPs,即制備得到Au/cicada wing基底。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FilmEmission-Scanning Electron Microscope,FE-SEM)結(jié)果表明,制備得到的基底表面納米柱頂端及側(cè)

5、面Au NPs的直徑分別約為65nm、35nm,規(guī)則排布的納米柱陣列使基底具有優(yōu)良的信號(hào)重現(xiàn)性;接觸角測(cè)試表明基底的疏水角為144.4°,說明基底表面接近超疏水,非常有利于提高SERS靈敏度;X射線衍射(X-ray Diffraction,XRD)測(cè)試結(jié)果表明Au NPs成功的復(fù)合在蟬翅上;紫外可見吸收光譜(Ultraviolet-visible Absorption Spectrometry, Uv-vis)結(jié)果顯示復(fù)合Au NPs后

6、增強(qiáng)了基底對(duì)可見光的吸收能力。
　　二、Au/cicada wing基底的SERS性能測(cè)試及FDTD模擬。利用Au/cicada wing基底對(duì)系列濃度的羅丹明6G(Rhodamine6G,R6G)溶液進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)限低至10-7M,并建立了1361cm-1處拉曼峰積分強(qiáng)度(S1361)的對(duì)數(shù)值與R6G濃度對(duì)數(shù)值的線性關(guān)系曲線,實(shí)現(xiàn)了對(duì)R6G的痕量及定量檢測(cè);利用飽和吸附的方法精確地計(jì)算出增強(qiáng)因子(Enhancement Fact

7、or,EF)約為3.4×105;利用R6G溶液對(duì)兩類(不同基底間,相同基底不同測(cè)試點(diǎn)間)SERS信號(hào)重現(xiàn)性進(jìn)行了測(cè)試,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(Relative Standard Deviation,RSD)小于15％;利用R6G溶液對(duì)基底進(jìn)行了時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試,由于Au NPs具有良好的抗氧化性能,基底在三個(gè)月時(shí)間內(nèi)SERS增強(qiáng)性能未減弱;利用帶有巰基(-SH)的對(duì)巰基苯胺與不帶-SH的R6G、耐爾藍(lán)A、結(jié)晶紫、甲基橙染料分子對(duì)基底進(jìn)行循環(huán)使用測(cè)

8、試,結(jié)果表明在四次循環(huán)清洗過程中,硼氫化鈉(NaBH4)溶液能有效地去除基底表面化學(xué)吸附及物理吸附的分子,基底SERS增強(qiáng)性能未減弱;利用FDTD模擬了基底表面的電場(chǎng)分布,理論計(jì)算所得增強(qiáng)因子與SERS測(cè)試所得增強(qiáng)因子量級(jí)相同,表明該基底的SERS增強(qiáng)機(jī)制主要為電磁場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)制。
　　三、實(shí)現(xiàn)常見不飽和脂肪酸間濃度轉(zhuǎn)換關(guān)系的建立,及市場(chǎng)所售植物油質(zhì)量是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確鑒別。植物油中的脂肪酸主要為油酸(Oleic acid,OA)

9、、亞油酸(Linoleic acid,LA)、亞麻酸(a-Linolenicacid,ALA)和棕櫚酸(Palm acid,PA)。前三者為不飽和脂肪酸,后者為飽和脂肪酸。本文通過在Au/cicada wing基底上對(duì)這四種脂肪酸及其混合樣品進(jìn)行SERS測(cè)試分析,建立了單獨(dú)一種不飽和脂肪酸在飽和脂肪酸環(huán)境中含量的定量關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)表明,相同摩爾濃度的LA和ALA的1656cm-1處拉曼峰積分強(qiáng)度(S1656)值分別約為OA的1.5倍和2

10、.2倍,據(jù)此可將LA和ALA的濃度轉(zhuǎn)換為等價(jià)的OA的濃度,連同OA實(shí)際的濃度一起作為OA等價(jià)總濃度來表示不飽和脂肪酸的含量。以花生油、芝麻油和大豆油為例,我們建立了與各自國家標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的S1656值的范圍,實(shí)現(xiàn)了對(duì)油品中不飽和脂肪酸含量是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確鑒別。同時(shí),我們對(duì)上述三種植物油進(jìn)行了氣相色譜-質(zhì)譜分析,結(jié)果表明,利用轉(zhuǎn)換關(guān)系與實(shí)際脂肪酸含量計(jì)算所得S1656值與SERS測(cè)試所得51656值相對(duì)誤差均小于5％,表明該檢測(cè)系統(tǒng)是

11、準(zhǔn)確的、可行的。該方法理論上可對(duì)任意種類商品植物油進(jìn)行鑒別,在其他脂肪酸相關(guān)領(lǐng)域如疾病預(yù)測(cè)方面也有廣泛應(yīng)用前景。
　　四、實(shí)現(xiàn)對(duì)NADH的痕量與定量檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明,直接在Au或Ag復(fù)合基底上檢測(cè)NADH會(huì)使其變性,導(dǎo)致痕量檢測(cè)無法實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)采用酶促方法,間接地定量檢測(cè)NADH。NADH在NADH氧化酶的作用下,失去氫離子成為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+),并生成過氧化氫(H2O2)。而H2O2在辣根過氧化物酶的作用下分解生成大

12、量的氧氣,將色原氧化成色素。色素一般具有較強(qiáng)的拉曼峰,利用SERS檢測(cè)技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)痕量檢測(cè),進(jìn)而間接得到NADH的濃度。我們首先對(duì)八種常用色原通過SERS測(cè)試進(jìn)行篩選,對(duì)篩選出的色原鄰聯(lián)甲苯胺(O-tolidine,OT)進(jìn)行濃度的優(yōu)化并最終選擇2×10-3 M作為最優(yōu)化濃度,色素聯(lián)甲苯胺藍(lán)(Tolidine Blue,TB)拉曼圖譜中位于1448cm-1處的特征峰明顯區(qū)別于OT,其積分強(qiáng)度(S1448)被用來表示TB濃度。本論文建立了