基于SERS技術(shù)實現(xiàn)生物分子的間接定量檢測及化學(xué)反應(yīng)過程的實時原位監(jiān)測.pdf

1、拉曼散射是分子對光子的一種非彈性散射現(xiàn)象，它可以反映分子的結(jié)構(gòu)信息。分子化學(xué)鍵的振動和結(jié)構(gòu)的微小變化都能靈敏地反映在拉曼散射光譜上，因此拉曼光譜可用來對物質(zhì)進行分析、鑒別和定量，它的優(yōu)勢包括快速、無損、分辨率高和操作簡便等。而表面增強拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS）技術(shù)的出現(xiàn)則進一步推進了拉曼技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，因為它克服了傳統(tǒng)拉曼散射強度較低，同時熒光背景干擾較大等缺點。
　

2、　近20年來，作為SERS技術(shù)的根本，高活性SERS襯底的制備一直是SERS領(lǐng)域的一個研究熱點。然而，單純地去開發(fā)新的SERS襯底，不斷提高襯底的增強效果已經(jīng)不能滿足社會生產(chǎn)生活中的實際需求。近些年來，人們更多的研究重點是SERS應(yīng)用的拓展，致力于將SERS技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，從而發(fā)揮出這種高效靈敏無損檢測技術(shù)的更大價值。
　　本文首先以一種技術(shù)成熟、增強效果優(yōu)異的銀硅襯底為基礎(chǔ)，拓展了SERS技術(shù)在生命科學(xué)方面的應(yīng)用，主要是實

3、現(xiàn)了葡萄糖分子的間接定量檢測。并以此為基礎(chǔ)，又成功通過差值法的思想實現(xiàn)了另一種重要生物小分子ATP的定量檢測，該研究對于疾病的治療和預(yù)防具有指導(dǎo)意義。隨后又采用脫合金腐蝕的方法制備了新型的納米多孔金（nanoporous gold，NPG）材料，將SERS技術(shù)與化學(xué)反應(yīng)的實時原位檢測相結(jié)合，致力于通過原位SERS技術(shù)來分析和理解化學(xué)反應(yīng)機理，從而合理確定反應(yīng)條件，提高反應(yīng)的選擇性、產(chǎn)物質(zhì)量和收率，這對于當(dāng)下人類社會面臨的能源危機和環(huán)境問

4、題都有著不言而喻的重要意義。論文的主要研究內(nèi)容分為以下四個方面:
　　一、實現(xiàn)兩種重要生物分子葡萄糖和ATP的定量檢測。在研究過程中，采用本實驗室開發(fā)的增強效果優(yōu)異的銀硅襯底，首先通過對色素CTC(charge transfer complex)的拉曼測試實現(xiàn)了葡萄糖分子的間接定量檢測，檢測限低至2.5×10-7M;而且相比于傳統(tǒng)的分光光度法，該技術(shù)更加快速，更加靈敏。隨后，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合葡萄糖磷酸化的反應(yīng)過程，本課題開創(chuàng)性地提

5、出了差值法檢測ATP的新思路，成功地實現(xiàn)了ATP分子的定量檢測，檢測限低至4.69×10-7M。在此過程中還詳細(xì)討論了葡萄糖分子與ATP的濃度關(guān)系，并且通過驗證實驗證實了該差值法不僅靈敏度高，同時也具有較高的準(zhǔn)確性。該項工作不僅為SERS技術(shù)用于生物分子的檢測開拓了一種新思路，同時實現(xiàn)這些重要生物分子的快速精確檢測對于疾病的診斷和預(yù)防也具有重要的意義。
　　二、NPG的制備及其性能表征。近些年來，由于具有比表面積大，化學(xué)性能穩(wěn)定、

6、導(dǎo)電能力強等優(yōu)點，NPG成為了生命科學(xué)、化學(xué)、光學(xué)以及拉曼散射等多個領(lǐng)域的研究熱點。在該部分，本課題以金銀合金為原材料，使用簡單易行的脫合金腐蝕方法制備出NPG襯底，正面和側(cè)面的掃描電子顯微鏡圖像清晰地展示了其多孔化結(jié)構(gòu)，而且可以輕松地通過對腐蝕時間的控制實現(xiàn)NPG孔徑尺寸的調(diào)控。通過對羅丹明6G分子的濃度系列測試證明了該襯底具有優(yōu)異的SERS性能;同時還計算出其增強因子(enhancement factor,EF)高達106。該增強性

7、能優(yōu)異、化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電能力強的SERS襯底在化學(xué)反應(yīng)的原位監(jiān)測方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　三、原位SERS技術(shù)對對硝基苯硫酚(p-nitrothiophenol，pNTP)分子的光催化還原過程的研究。本課題以NPG為襯底，利用其SPR(surface plasmon resonance)光吸收的性質(zhì)，進行了pNTP分子的光催化還原實驗。本部分研究的創(chuàng)新點主要有三點:(1)納米多孔金基底不僅催化了對硝基苯硫酚還原反應(yīng)的進行，同

8、時它還是一個高活性的SERS襯底，從而在光催化反應(yīng)進行的同時，進行實時的原位拉曼檢測，實現(xiàn)對整個反應(yīng)過程的實時動態(tài)監(jiān)測;(2)pNTP分子可以通過“Au-S”錨定在納米多孔金襯底的表面，因此不僅能定性地，而且可以定量地實現(xiàn)對拉曼測試結(jié)果的分析;(3)激光光源不僅僅是拉曼檢測的激勵光源，同時也是光催化反應(yīng)的光源。這不僅促進了氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，同時也簡化了實驗裝置。研究結(jié)果表明，在沒有負(fù)載鉑、鈀等金屬的情況下，必須有光照和還原劑硼氫化鈉的

9、共同作用才能實現(xiàn)pNTP的還原，而且還只能還原到對巰基偶氮苯這一中間產(chǎn)物，不能完全還原到對氨基苯硫酚。
　　四、原位SERS技術(shù)對pNTP電化學(xué)還原過程的研究。電化學(xué)反應(yīng)由于具有安全、清潔、工藝簡單和能源轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點，已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，并且具有廣闊的應(yīng)用前景。本課題以硝基苯的電化學(xué)還原反應(yīng)為研究對象，將NPG作為SERS襯底和工作電極，搭建一個電化學(xué)反應(yīng)的原位SERS監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對電化學(xué)反應(yīng)機理的研究（包括分子的轉(zhuǎn)變，中間

10、產(chǎn)物的捕獲，反應(yīng)的動力學(xué)信息等）。結(jié)果表明，無論是酸性還是堿性條件，都是直接還原過程占據(jù)主導(dǎo)地位;同時，本課題開創(chuàng)性利用斷電操作揭示了還原過程中的中間產(chǎn)物在酸堿性電解質(zhì)中的不同光穩(wěn)定性;最后，結(jié)合密度泛函理論(density functional theory,DFT)計算，從反應(yīng)的吉布斯自由能的變化對斷電后酸堿性電解質(zhì)中的不同原位SERS光譜變化進行了分析，DFT計算結(jié)果與實驗現(xiàn)象相吻合?；谠撜n題的研究，搭建了電化學(xué)原位SERS監(jiān)測