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表面增強拉曼散射光譜技術在生物檢測中的創(chuàng)新應用

來源:北京卓立漢光儀器有限公司   2024年10月23日 11:43  

表面增強拉曼散射光譜技術在生物檢測中的創(chuàng)新應用

隨著科技的飛速發(fā)展,光電應用與材料領域正不斷涌現(xiàn)出令人矚目的新知識和技術與新應用,為響應國家號召,作為光電行業(yè)的領*企業(yè),北京卓立漢光儀器有限公司積極承擔社會責任,特別策劃并推出《名家專欄》系列技術與應用新聞專欄,該專欄匯聚激光物理、拉曼光譜、等離子體、電化學、量子理論及激光誘導擊穿光譜等多領域系列,全系列專欄共計36篇,深入剖析前沿科技,為讀者帶來專業(yè)而豐富的知識盛宴,為廣大科研工作者提供一個交流與學習的平臺?!睹覍凇防庾V系列專欄第二期,邀請四川大學原子與分子物理研究所雷力老師、王揚斌老師,對SERS現(xiàn)象的產(chǎn)生、增強機制和應用做詳細分享。


SERS現(xiàn)象

由于拉曼信號本質(zhì)上很弱且常常受到其它信號的干擾和削弱,科學家們不斷探索使拉曼信號更強和更容易檢測的方法。表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering,簡稱SERS)就是其中一種,它利用了具有等離子體性質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)的光學特性,使得位于等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)附近的目標分子的拉曼信號顯著增強。SERS技術提高了拉曼光譜的靈敏度,通過增強拉曼散射和熒光猝滅(消除熒光背景),可以將拉曼信號提高近1010-15倍,等離子體納米材料的*高靈敏度、分子特異性以及拉曼光譜的協(xié)同作用使SERS成為一種靈敏、快速、無損、強大的分析技術。由于其超高靈敏度和選擇性,SERS在表面和界面化學、催化、納米技術、生物學、生物醫(yī)學、食品科學、環(huán)境分析等領域有著廣泛的應用。

基本上,SERS分析吸附在特制金屬表面上的分子。這種金屬表面應具有等離子性能:在金屬與介電材料(如空氣)的界面上,激光的入射光與金屬的自由電子相互作用,產(chǎn)生共振相互作用,產(chǎn)生電子的振蕩密度波,稱為等離子體。


SERS現(xiàn)象的產(chǎn)生需要滿足以下兩個條件:

(1) SERS活性基底。通常情況下,采用具有粗糙結(jié)構(gòu)的Au、 Ag等貴金屬納米材料或TiO2、Cu20和MoS2 等半導體材料作為增強基底;

(2) 基底與探針分子間的距離非常小,一般小于 10 nm。

表面增強拉曼散射光譜技術在生物檢測中的創(chuàng)新應用


SERS增強機制

自1974年發(fā)現(xiàn)SERS現(xiàn)象以來,其增強機制至今還尚未明確統(tǒng)一,存在不少爭議。目前,電磁增強機制(EM)和化學增強機制(CM)是研究者較為認可的兩種增強機制。其中EM對整個SERS增強效應起主導作用,EF增強因子可達105 - 106倍,而來自CM的貢獻僅有10 - 103倍。電磁增強有兩個方面的貢獻:局部場增強和再輻射增強。電磁增強與分子類型無關,而依賴于基底及其粗糙度。化學增強機制也被稱為電荷轉(zhuǎn)移增強機制,主要源于探針分子與基底間的電荷轉(zhuǎn)移引起分子的電子結(jié)構(gòu)的改變,促進分子極化率的提高,從而增大拉曼散射信號。其增強能力取決于分析物自身的電子特性,通過誘導偶極子使分子的極化率增大,因此,化學增強機制比電磁場增強機制的貢獻小很多。


SERS的應用

單分子檢測:SERS技術可以實現(xiàn)超低濃度溶液和超薄薄膜中的分子檢測,最近在表面科學,分析化學,納米技術等領域引起廣泛關注。

化學及工業(yè):表面增強拉曼光譜是研究電極化學界面結(jié)構(gòu)、吸附、反應的一種重要譜學工具,作為一種靈敏度很高的表征手段,SERS因為能直接研究物質(zhì)在膠體上的吸附行為而得到廣泛的應用。

生物、醫(yī)學體系:SERS作為一種增強拉曼光譜技術,在研究生物分子的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象方面發(fā)揮著重要作用,大量的研究人員利用SERS解決了生物化學,生物物理和分子生物學中的許多問題,包括提供分子的特殊基團與界面的相互作用、生物分子與金屬的鍵合方式等等?;赟ERS的生物測定法可以診斷癌癥、心血管疾病和傳染病等。

納米材料:SERS可以避開本體覆蓋層的干擾,直接對聚合物、金屬界面的結(jié)構(gòu)進行高靈敏度和專一性的檢測,找出聚合物分子在金屬表面的去向以及幾何形態(tài),擴展聚合物在金屬防腐中的應用,弄清金屬粘接以及集合物在表面的光化學反應等。

聯(lián)用技術與傳感器:SERS的高靈敏高分辨率使得它在傳感方面有強大優(yōu)勢和潛力??梢宰鳛樯V及流動注射分析的檢測手段,在進行成分分離同時還可以進行各組成分的指紋鑒定,對于天然有機物、違禁藥物等分析有重要意義。

作者:雷力,常雪,王揚斌
作者單位:四川大學原子與分子物理研究所

雷力,四川大學原子與分子物理研究所研究員,博士生導師,主要開展高壓譜學研究?,F(xiàn)任中文核心期刊《光散射學報》常務副主編、編輯部主任,《高壓物理學報》編委,中國物理學會光散射專業(yè)委員會委員,中國化學學會高壓化學專業(yè)委員會委員。進一步了解可百*/必應搜索關鍵詞:“廣義壓強”、“熊貓氮”,“高壓耦聯(lián)”、“高壓樂隊”。

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