浓缩、富集与分子定位型表面增强拉曼光谱及应用.pdf

第 卷第期光散射学报V o l N o 年月THEJ OUR NA LO FL I GHTS C A T T E R I NGJ u n 文章编号:()收稿日期:,修改日期:作者简介:谢昭达(),男,西安交通大学生命学院博士研究生,主要从事气体传感器的设计;张瑞元(),女,西安交通大学电信学部电子科学与工程学院博士研究生,主要从事纳米生物复合材料的制备及传感器的设计,重点集中在生命活性物质外泌体等光电传感和拉曼/荧光光谱分析通讯作 者:方 吉 祥(),男,西 安 交 通 大 学 生 命 学 院,教 授,主 要 从 事 增 强 光 谱 传 感 相 关 研 究 E m a i l:j x f a n gm a i l x j t u e d u c n浓缩、富集与分子定位型表面增强拉曼光谱及应用谢昭达,张瑞元,方吉祥(西安交通大学生命学院,西安 )摘要:表面增强拉曼散射光谱(S E R S)是一种能够提供分子指纹信息的振动光谱技术,具有单分子级的检测灵敏度、尖化的谱峰,以其无需标定、非破坏性、多个组分同时检测等优势,广泛应用于表面科学、材料科学、生物医学、药物分析、食品安全、环境检测等诸多领域.随着 年单分子S E R S现象的发现,表面等离激元效应受到了广泛的关注,科研人员集中研究了光与纳米结构相互作用所产生的表面等离激元现象这一基本科学问题,并对各种纳米结构进行了精准调控,促进了纳米技术的蓬勃发展.然而,过去几十年的研究表明:仅仅依靠电磁场增强机制及纳米结构构筑,难以实现高灵敏的单分子S E R S检测.因此,针对不同分子与纳米结构表面相互作用规律、分子在热点处吸附解吸附行为及复杂基质与待测分子的相互作用机制等一系列基本科学问题仍需要进行深入研究.本文系统介绍了当前S E R S检测的技术瓶颈,包括灵敏度的提高、弱吸附物质的检测和复杂基质的影响等,重点关注浓缩富集和分子定位手段及其应用.详细介绍了构建多功能S E R S基底时所使用的物理、化学和吸附剂策略,并分析了该领域目前所面临的挑战.同时提出新的研究方向,以实现对于实际应用非常重要的高效S E R S基底设计思路.关键词:S E R S;浓缩富集;分子定位;超灵敏检测中图分类号:O 文献标志码:Ad o i:/j i s s n S u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p yc o n c e n t r a t i o na n dm o l e c u l a r l o c a l i z a t i o na n d i t sa p p l i c a t i o nX I EZ h a o d a,Z HANGR u i y u a n,F ANGJ i x i a n g(X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,S c h o o l o fL i f eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,K e yL a b o r a t o r yo fB i o m e d i c a lI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n go fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n)A b s t r a c t:S u r f a c ee n h a n c e dR a m a ns c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p y(S E R S)i sav i b r a t i o n a l s p e c t r o s c o p yt e c h n o l o g yt h a t c a np r o v i d em o l e c u l a r f i n g e r p r i n t i n f o r m a t i o n,w i t hs i n g l e m o l e c u l ed e t e c t i o ns e n s i t i v i t y,s h a r pp e a k s,a n d i sw i d e l yu s e d i ns u r f a c es c i e n c e,m a t e r i a l s c i e n c e,b i o m e d i c i n e,p h a r m a c e u t i c a la n a l y s i s,f o o ds a f e t y,e n v i r o n m e n t a ld e t e c t i o na n d m a n yo t h e rf i e l d sd u et oi t sa d v a n t a g e so fn o n c a l i b r a t i o n,n o n d e s t r u c t i v e,s i m u l t a n e o u sd e t e c t i o no fm u l t i p l ec o m p o n e n t s,e t c W i t ht h ep r o p o s a l o f s i n g l e m o l e c u l eS E R Sp h e n o m e n o n i n ,t h es u r f a c ep l a s m o ne f f e c th a s r e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o n,a n dr e s e a r c h e r sh a v e f o c u s e do nt h eb a s i cs c i e n t i f i cp r o b l e mo fs u r f a c ep l a s m o np h e n o m e n o nc a u s e db yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl i g h ta n dn a n o s t r u c t u r e s,a n dp r e c i s e l yr e g u l a t e dv a r i o u sn a n o s t r u c t u r e s,w h i c hh a sp r o m o t e dt h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n t o f n a n o t e c h n o l o g y H o w e v e r,r e s e a r c h e s i n t h ep a s t f e w第期谢昭达:浓缩、富集与分子定位型表面增强拉曼光谱及应用d e c a d e sh a v e s h o w n t h a t i t i sd i f f i c u l t t oa c h i e v eh i g h l ys e n s i t i v e s i n g l e m o l e c u l eS E R Sd e t e c t i o nb yr e l y i n go n l yo ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l de n h a n c e m e n tm e c h a n i s m sa n dn a n o s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n T h e r e f o r e,as e r i e so fb a s i cs c i e n t i f i cp r o b l e m ss u c ha st h es u r f a c e i n t e r a c t i o nl a wo fd i f f e r e n tm o l e c u l e sa n dn a n o s t r u c t u r e s,t h ea d s o r p t i o n d e s o r p t i o nb e h a v i o ro fm o l e c u l e sa th o ts p o t s,a n dt h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nc o m p l e xm a t r i c e sa n dt h em o l e c u l e s t ob e t e s t e ds t i l ln e e dt ob ed e e p l ys t u d i e d T h i sr e v i e ws y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h et e c h n i c a lb o t t l e n e c k so fc u r r e n tS E R Sd e t e c t i o n,i n c l u d i n gt h ei m p r o v e m e n to fs e n s i t i v i t y,t h ed e t e c t i o no fw e a k l ya d s o r b e ds u b s t a n c e sa n dt h e i n f l u e n c eo f c o m p l e xm a t r i c e s,f o c u s i n go nt h em e t h o d so f c o n c e n t r a t i o ne n r i c h m e n t a n dm o l e c u l a r l o c a l i z a t i o na n d t h e i r a p p l i c a t i o n s T h ep h y s i c a l,c h e m i c a la n ds o r b e n ts t r a t e g i e su s e dt oc o n s t r u c tm u l t i f u n c t i o n a lS E R Ss u b s t r a t e sa r ed e t a i l e d,a n dc u r r e n t c h a l l e n g e s i nt h i s f i e l da r ea n a l y z e d A t t h e s a m e t i m e,n e wr e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ep r o p o s e d t or e a l i z ee f f i c i e n tS E R Ss u b s t r a t ed e s i g n i d e a s t h a t a r ev e r yi m p o r t a n t f o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s K e y w o r d s:S E R S;c o n c e n t r a t i o ne n r i c h m e n t;m o l e c u l a r l o c a l i z a t i o n;u l t r a s e n s i t i v ed e t e c t i o n绪论拉曼散射效应是印度物理学家C V R a m a n在 年通过实验发现并证实的一种光的非弹性散射现象.然而,拉曼散射效应是一个非常弱的效应,其散射光强度为入射光强度的 ,极大地限制了拉曼光谱的应用和发展,直到 年F l e i s c h m a n n等发现,吸附在粗糙的银电极表面上的吡啶分子拉曼信号强度有很大程度的提高,提出了表面增强拉曼光谱(S E R S)的概念,即借助金属表面等离激元物理机制来增强拉曼散射现象,通过研究光、纳米结构与分子三者之间相互作用实现高灵 敏检测分子 振动指纹谱 学技术(图).自 世纪 年代发现以来,S E R S现象就被认为具有很高的应用前景,比如实现更高灵敏度的分子“指纹”光谱探测.随后,世纪末单分子S E R S(S M S E R S)光 谱 的 发 现 ,标 志 着S E R S检测的技术水平达到了一种极限,显示了其在超高灵敏传感方面的巨大潜力.随着激光技术和纳米材料的发展,S E R S在理论、实验和应用上均取得了巨大的进步.近年来,因其超高的探测灵敏度、尖化的谱峰、无需标定、非破坏性、多个组分同时检测等特点以及便携式拉曼光谱仪的商用化,S E R S技术受到了物理学、化学和生物医学等诸多领域研究者的广泛关注.尽管S E R S被广泛用于表征界面的各种动态特性(吸附/解吸、反应、催化等)和分析物痕量检测,但S M S E R S技术在实际应用中,其超灵敏特性并未得到充分利用.一方面,S E R S热点(图b)高度局限于空间狭窄区域(如纳米尖端、颗粒间的纳米间隙或颗粒与基底间的纳米间隙),导致了吸附到热点处 不 到的 分 子 却 贡 献 了 大 于 的S E R S信号,.这无疑对分子在热点处的定位提出了巨大挑战.另一方面,很多分子(特别是气态分子,因为它们的浓度低且迁移率高)与纳米结构相互作用弱,甚至不吸附,导致难以检测.这些问题严重阻碍了S E R S的广泛应用.因此,需要全面了解分子的拉曼过程以及金属纳米结构表面与分子之间的相互作用,以优化实验条件,获得可靠的结果,让S E R S从实验室的研究,转向解决现实世界的问题.高效的分析物操控策略可以改善待测物分子的S E R S检测(图),尤其是对纳米结构没有亲和力或具有低拉曼散射截面的分子.新兴的分析物操控策略(图)包括()将纳米材料封装在吸附剂材料中的多功能S E R S平台,通过物理/化学的手段使分析物直接集中在热点附近,()将分析物物理地限制在S E R S活性区域附近,()利用化学相互作用来捕获或引导分析物到功能性纳米材料表面.吸附剂耦合的S E R S平台通过将纳米结构与次级功能材料耦合,这种耦合能够协同调节所得S E R S平台的化学和电磁性质,从而实现分析物S E R S信号的高灵敏读出.总的来说,分析物操控和纳米材料耦合的策略提供了一种双管齐下的方法,将S E R S灵敏度提高了 倍以上,从而解决传统S E R S基底的局限性.尽管它们对S E R S检测很重要,但仍缺乏全面的综述来总结当前的分析物操控策略和吸附剂耦合的S E R S平台,以及光散射学报第 卷?a1b1a2b2?Hole?图(a)局域表面等离激元现象、(b)纳米级间隙的示意图以及(a)纳米颗粒表面的分子和(b)纳米颗粒表面和强/弱分子的相互作用的放大示意图F i g (a)S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep l a s m ae x c i t o np h e n o m e n o no n t h e l o c a l s u r f a c e,t h e(b)n a n o s c a l eg a p,a n d t h e a m p l i f i e ds c h e m a t i c o f t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nm o l e c u l e s o n t h e s u r f a c eo f t h e(a)n a n o p a r t i c l e a n d(b)n a n o p a r t i c l e s u r f a c ea n ds t r o n g/w e a km o l e c u l e s实现超灵敏S E R S传感的潜力.本综述探讨了S E R S三体作用及目前存在的技术瓶颈,重点关注浓缩、富集与分子定位手段.我们讨论了近年来出现的S E R S基底设计,包括各种分析物操作策略.重点介绍了基本工作原理、制造方法及其在推动S E R S检测方面的不同贡献.此外,我们还探讨了S E R S平台与新兴功能材料(如多孔金属有机框架和金属氧化物)的协同作用,以创造下一代混合系统,使其具有可定制的电磁和/或化学属性,以直接影响S E R S的性能.最后,我们以批判性的展望结束了讨论,强调了未来材料设计的潜在机会,尤其是朝着分析物选择性和高效S E R S平台的方向.此外,我们希望此综述能够激发S E R S和整个分析学科的进一步科学和技术进步,以实现单个/少数分子检测在各种环境、工业、生物、国防和化学应用中的宏伟目标.S E R S三体作用及当前的技术瓶颈S E R S三体作用是指光、纳米结构和分子之间相互作用.尽管S E R S被广泛应用于分析物的微量检测,但S E R S的超灵敏特性,例如S M S E R S技术并未得到充分利用.追本溯源,本章节将重点讨论S E R S三体作用及其技术瓶颈.三体作用S E R S的活性依赖于光纳米材料分子三者之间的相互作用,即()等离激元纳米结构电磁场增强能力,()待测分子本身拉曼属性,及()分子与纳米结构表面吸附特性.二十余年来,研究人员结合快速发展的纳米技术,从等离激元纳米结构与光相互作用的电磁场机制这一重要科学问题出发,制备了各种传统类型的S E R S基底(如粗糙电极、胶体纳米颗粒和图形化金属表面)以及各种新型S E R S基底(如单颗粒、二聚体、三聚体及“卫星”结构、纳米粒子超晶格、纳米柱阵列和多孔金属等).从原理上讲,这些纳米结构可分为基于纳米腔模式的纳米间隙和基于避雷针效应的纳米尖刺、纳米星等结构.各种新型纳米探针技术的发展,提高了其对电磁场的局域化增强和放大,从而提高了S E R S检测灵敏度.技术瓶颈在S E R S的光纳米结构分子三体相互作用中,分子与纳米结构表面等离激元效应是S E R S的主要因素.设计纳米结构以提高局域电磁场增强是提高S E R S检测灵敏度的关键.然而,在实际检测中,S E R S技术存在着基底灵敏度不足、难以检测弱吸附分子和易受复杂样品基质影响的问题.第期谢昭达:浓缩、富集与分子定位型表面增强拉曼光谱及应用 低灵敏度自 年至今,S M S E R S技术已经被发现 余年,然而目前S E R S技术在实用化过程中却遇到了很 多技术难题,从而未能 充分发挥S M S E R S在单分子检测方面的优势.早期的S E R S衬底通常采用电化学粗糙化或真空蒸汽沉积制备的.然而,所制造的纳米结构形状、尺寸和形态是随机的且不均匀的,这限制了基底在实际检测中的应用.随着纳米科学和材料科学的发展,合成尺寸、形貌和成分高度可控的纳米材料成为可能.这些结构均匀且优良光学性质的纳米材料以两种形式的S E R S基底存在,分别是纳米颗粒溶胶和固体载体上的纳米颗粒组装体.纳米颗粒溶胶在成本,制备和使用方面占优.然而,溶液中分散的纳米颗粒近场增强很弱且热点分布随机,导致痕量待测分子难以吸附或定位到热点处,增加了检测难度.虽然可以通过添加盐和其他分子,诱导纳米材料及吸附/定位在热点处的待测分子聚集,进而产生极高S E R S增强,甚至可提升到单分子灵敏度,但最终的聚集状态于对实验条件十分依赖,须严格控制实验条件才能实现S E R S信号的均匀性和灵敏性.纳米毛细抽吸模型是一种更有效的方法,在溶液挥发过程中利用毛细力,使分子主动进入具有丰富热点的基底中,实现超高的S E R S信号.然而,在大面积上制造均匀的热点仍然是一个挑战.纳米光刻法使得自上而下的制备具有均匀S E R S增强的大面积周期性纳米阵列成为可能.目前,控制精度难以实现纳米结构之间几纳米间隙的可靠合成,尽管制造的基底是高度均匀和可再现的.此外,保证待测分子高效定位或选择性地捕获到固体衬底的热点处也极具挑战.弱吸附分子检测当目标分子接近纳米结构表面时,根据分子动能高低,会出现被表面捕获和从表面脱附的情况(图b).对于含有可被化学吸附在金或银表面上的官能团分子(硫醇、吡啶基、胺、腈和羧酸等),其结合能很高导致分子强烈吸附到材料表面,增加热点中待测分子数量,有利于拉曼过程.弱吸附分子仅暂时停留在表面上,并迅速移出热点,导致拉曼信号信噪比较低.当测量的拉曼信号是目标分子的拉曼信号、杂质或溶剂的信号以及金属纳米结构的光致发光信号的组合时,这些额外的信号会干扰目标分子的信号,成为光谱中的噪声.当采集时间比停留时间长得多时,噪声会淹没目标分子的信号.有两种方法可以解决这个问题:减少采集时间和增加停留时间.当采集时间减少到接近目标分子的停留时间时,有可能从时间序列测量中提取具有高信噪比的光谱,并且可以选择性地丢弃背景噪声.例如,利用时间门控拉曼技术,通过将采集时间缩短到m s,可实现弱吸附物质的无标记检测,从而提高信噪比.弱吸附物质在衬底表面停留时间可通过疏水平台调控.疏水平台具备疏液性质,可将液体分析物高度浓缩至几百微米尺寸的表面,迫使分析物富集到热点处,从而实现分析物分子的高灵敏检测.复杂基质影响在实际测量中应仔细考虑一些关键问题,使S E R S信号反映感兴趣的信息,其中表面杂质是一个持续的测量问题.表面杂质的拉曼信号可覆盖和阻碍目标分子的拉曼峰,使物质准确分析成为挑战.当杂质表面亲和力高于目标分子表面亲和力时,低浓度杂质同样能够占据热点内部的表面位置,从而阻止目标分子吸附,影响S E R S定量检测结果.对于湿化学合成的金属纳米颗粒,离心法常用于去除合成体系中存在的未反应物质和表面活性剂等杂质.然而,由于纳米颗粒表面上的带电物质缺乏保护,多次离心可能导致纳米颗粒聚集,甚至沉淀.对于自上而下方法制造的固体基底可能在空气中被氧化污染.同样,激光激发S E R S衬底的表面等离激元共振效应可产生强局域电场及大量的热和热载流子,这些效应与周围空气中的氧气共同诱导目标分子改变(生成杂质)和拉曼信号波动.导电性基底可施加负电位解吸杂质,等离子体/紫外线产生的臭氧同样用于分解有机表面物质.此外,烷硫醇、卤离子和腈的信号较弱或远离大多数有机分子的特征谱峰,因此可用于置换表面杂质.综上,有效的S E R S技术需要具有小的纳米间隙的金属纳米结构、具有拉曼特征谱峰的目标分子及目标分子在热点中的俘获等特性.现有研究通过探讨分子与纳米材料表面间的相互作用,研发了多种分子富集型S E R S技术,如基于疏水表面的浓缩富集方案,空气/液体界面的漂浮颗粒策略,纳米毛细泵原理及基于吸附剂的分子快速吸附、筛选、浓缩方案和化学偶联/导向策略等.以上新型S E R S检测技术的研发为生命医学、食品卫生、反恐军事等领域的便携式快速检测提供了坚实的实验基础.光散射学报第 卷富集与分子定位手段及应用富集与分子定位是克服S E R S技术瓶颈的关键手段.本章节将探讨如何通过富集和分子定位手段来提高S E R S检测效果(图).该过程主要包括三个策略:)通过吸附剂策略将分析物直接限制在纳米材料表面,)利用物理策略将分析物捕获到纳米材料表面上,以及)采用化学策略可选择性地捕获分析物.吸附剂策略吸附剂具有多种固有属性,例如大孔径、多官能团和大比表面积,在分子富集方面有着很大的作用.作为一种新兴的浓缩富集技术,它受到了广泛的关注.常用的吸附剂材料包括:环糊精、介孔纳米材料、多孔金属有机化合物、二维碳化物、氮碳化物和金属氧化物.通过物理和/或化学方法,将目标分子吸附到S E R S基底上,延长目标分子与基底的反应时间,进而实现高灵敏度的原位S E R S检测.?(?、?、?）?SERS?图浓 缩 富 集 与 分 子 定 位 操 作 手 段 实 现 超 灵 敏S E R S信号示意图F i g S c h e m a t i c d i a g r a mo f u l t r a s e n s i t i v eS E R Ss i g n a lb ye n r i c h m e n ta n d m o l e c u l a rl o c a l i z a t i o nm a n i p u l a t i o n 环糊精环糊精(C D s)是一种由连接的吡喃葡萄糖亚基组成的环状寡糖家族,其形成具有空腔的结构,适合形成包合物(即“主体客体”复合物).由于C D s的固有特性使其能够被用作吸附剂和识别元件,而且通过对C D s进行化学修饰,其选择性和吸附能力亦可进一步提高.在 年,H i l l等研究人员使用一种涂有七酮(硫 代 脱 氧)C D的 纳 米 粗 糙 银 膜 作 为S E R S基底,成功检测出多种芳香族化合物,如苯、甲苯、乙 苯、间 二 甲 苯、氯 苯、间 二 氯 苯、蒽 和 萘等.未经修饰的S E R S基底只能在高浓度下记录信号,而C D s S E R S基底可以检测低至 p p m的拉曼信号.该系统的信号响应是可逆的,可以实现对浓度变化的连续监测.但是大多数分析物解吸速率非常缓慢,这限制了传感器实时浓度监测的能力.并且由于巯基化的C D s本身具有拉曼信号,所获得的拉曼信号来自C D s修饰物和吸附分析物分子信号的叠加,不利于分子的识别.?图富集与分子定位操作方法分类研究路线图F i g R e s e a r c hr o a d m a pf o rt h ec l a s s i f i c a t i o no fe n r i c h m e n ta n dm o l e c u l a r l o c a l i z a t i o nm a n i p u l a t i o n s微孔 C D材料与许多疏水性有机污染物可形成主客体包合物,其表现出卓越的吸附效率,因此受到了广泛的关注.Z h a n g等人利用磁性纳米颗粒固定的多孔 C D聚合物(MN P C D P),在 m i n内,能够超快速吸附、磁分离和解吸P O P s(双酚a、碳 酸 嗪、福 美 双、二 喹 和 蒽).MN P C D P吸附剂对有机微污染物去除效率约为(R S D小于).同样地,从约 m L初始水中吸附的污染物可以在约m L体积的乙醇中解吸(图a),具有高达 倍的超高富集效率(R S D小于).该策略具有超快速、高选择性和高效分子富集能力,与S E R S基底结合能够将检测限降低 个数量级,实现更高的空间和时间分辨率.介孔纳米材料自 世纪 年代发现有序介孔二氧化硅以来,由于其高孔隙率、大单位体积表面积、可调孔径、窄孔径分布、高导电性和优异的活性结构关系等优点,有序介孔材料备受关注.通过介孔材料精准控制纳米颗粒的分布,获得热点的均匀阵列,将分析物浓缩至热点区域,实现高灵敏S E R S检测.另外,介孔材料还具有良好的可重复性、可第期谢昭达:浓缩、富集与分子定位型表面增强拉曼光谱及应用再现性和热点分布控制等特性,同样有利于S E R S基底的搭建.目前,已经出现多种利用介孔二氧化硅或碳为硬模板合成有序介孔金属和金属氧化物的方法,但合成尺寸和形状可控的有序介孔金属(特别是金和银)仍然具有挑战,常存在孔道填充不足或金属颗粒从孔道外溢等问题,难以获得均匀的形态.这种非均匀的结构会影响其在实际应用中的性能,从而限制了介孔模板法制备金属纳米结构在实际中的应用.为了解决贵金属纳米铸造过程中原子扩散的问题,方的团队采用一种“软包裹”方案(如图b),以分子筛为硬模板获得了多种组分、高纯、单分散贵金属介孔结构.中空介孔二氧化硅纳米颗粒具有均匀的中孔和核壳纳米结构,封装了金属纳米点(A u/A g/P t),适用于多种应用.该策略可以容易地制备任何金属纳米点或纳米合金负载的介孔空心结构,并为许多其他领域打开广阔的可能性,如催化、能量存储和治疗诊断学.该研究还验证了基底的有效性,有效筛选了生物大分子和小模型分析物之间的作用.此外,介孔二氧化硅纳壳层可以阻止生物蛋白质等大分子进入空腔,从而避免S E R S斑点的污染,尤其是在生物样品中.多孔金属有机框架多孔金属有机框架(MO F s)是一种具有超高比表面积(大于 mg)、高度可调孔和腔尺寸、多样化结构设计的三维多孔晶体材料,由金属离子或金属簇与有机连接体配位形成,.表面等离激元纳米结构的多功能性在定制应用中非常重要,但也面临着一些挑战,如非吸附分子的低性能.为了克服这个基本难题,可以利用MO F s与表面等 离 激 元 纳 米 结 构 结 合 来 形 成 纳 米 结 构MO F杂化物.集成MO F s和表面等离激元纳米结构不仅充分发挥了纳米杂化物的适用性,还可以产生额外的功能.呼吸气体中挥发性生物标志物的变化可以作为早期癌症诊断的方法之一.基于S E R S的单分子检测技术可以实现呼吸气中挥发性生物标志物的快速高灵敏检测.然而,当前存在两个主要限制:)大多数挥发性生物标志物仅显示微弱的拉曼散射;)气体分子的高流动性导致在S E R S基底上的低吸附性.为了解决这些限制,Q i a o等在金纳米颗粒的自组装体(G S P)上覆盖了 甲基咪唑锌MO F(Z I F )层,以降低气体生物标志物的流速并抑制G S P表面周围电磁场的指数衰减.通过与预接枝到G S P s上的 氨基苯硫酚(AT P)发生席夫碱反应,在 m i n内可以选择性地捕获小拉曼截面的气态醛,检测限为 p p b,展示了早期肺癌体外诊断的巨大前景.此外,为了准确检测复杂呼出气体中的生物标志物并消除其他成分的干扰,L i等人提出了以具有蛋黄壳结构的空心Z I F 包裹在G S P上作为S E R S基底的方法(如图c).MO F壳不会限制干扰气体分子在S E R S热点区域的分布,因此在复杂环境中提高了对醛类分子的检测限.随着微加工技术的进步,Y a n g等人设计了一种阵列辅助的S E R S微流控芯片,具有超高灵敏度和多重传输能力.通过使用棱镜阵列的微流控芯片,实现了空气流调节.同时,采用Z I F 包覆A u A g纳米立方体,使用半胱氨酸作为气体捕获剂,提高气体吸附能力.实验结果表明,在h吸附时间内,该芯片对气体分子的检测下限可降至p p b(积分时间 s).Y a n g等人用MO F材料涂覆涂覆A u纳米颗粒,形成了均匀的A u Z I F 单核或多核结构.并控制Z I F 的壳层厚度(到 n m),以调节金属纳米颗粒间距和电磁场,并防止金纳米颗粒聚集和增加其化学稳定性,实现对弱吸附分子的S E R S检测.相较于多核或厚壳的纳米颗粒,A uZ I F 的n m壳层厚度能有效探测各种挥发性有机化合物气体分子,如甲苯、乙苯和氯苯.此外,使用S E R S技术,可以实时观察甲苯气体吸附和解吸的过程.同样的,T a n等人采用具有最优壳厚的金C O F纳米颗粒,在微流道中堆叠,实现VO C s的吸附和富集.该传感器在h的吸附时间内,对苯胺、丙酮和苯甲醛的检出限分别降至 p p b、p p m和 p p b(积分时间 s).综合来看,表面等离激元纳米结构与MO F s的杂化备受关注.这种杂化材料具有两种材料的基本特性,并且比传统的S E R S基底具有更多优势.一方面,MO F s赋予的高分子吸附能力,允许对包括气体和蒸汽分子在内的分析物进行有效的预浓缩.同时,MO F的可调孔和腔尺寸可以实现分子筛分,而且MO F还可以作为纳米颗粒周围的保护膜,以防止其聚集并增加其化学稳定性.另一方面,纳米结构 MO F杂化为使用表面增强光谱提供了绝佳的机会探测固体MO F界面特性.二维碳化物和碳氮化物MX e n e s是一种新型二维结构材料,可由过渡光散射学报第 卷金属碳化物、氮化物或碳氮化物制成.它具有高比表面积和高电导率,同时组分可调,最小纳米层厚度可控.MX e n e s已在储能、吸附、传感器、导电填充剂等领域展现出了巨大潜力,.其大而可控的层间距、优良的亲水性、超高导电性、多样化的合成和丰富的表面化学,使其成为一种有前途的S E R S基底材料.H e等人采用一步化学蚀刻法,合成了高结晶度、少层固溶体T i V C MX e n e纳米片(n m),并构建柔性的T i V C薄膜.该基底 对 罗 丹 明(R G)、孔 雀 绿(MG)和 亚 甲 蓝(MB)的检测限分别为 ,和 M.为了满足高灵敏度检测复杂气体样品的需求,Y a n g等人利用厚度为 n m的T i C T x纳米薄片,将其应用于S E R S微流控芯片,建立了一种用于高灵敏度和多重气体检测的S E R S微流控传感器(图d).T iCT x具有高气体吸附效率,且在纳米结构中产生了气体涡旋,延长了分子在热点区域的停留时间,两者的耦合作用导致了灵敏度的增加.该传感器,在h吸附时间内,能够对三种典型挥发性有机物包括,二硝基甲苯(D NT)、苯甲醛和吲哚实现了超灵敏检测,检测限达到p p b水平.然而,S E R S增强效果极大地依赖于过渡金属涂层的厚度,且壳层厚度应小于n m.为了获得最佳效果,应注意控制涂层的厚度.金属氧化物纳米金属氧化物具有独特的纳米尺寸,表现出高的比表面积、电子迁移率、热稳定性、机械强度和表面缺陷等突出理化性质,使其在吸附材料、污染物传感器、储能装置等领域得到广泛应用.F u等人制 备 了 厚 度 约 n m的 六 边 形 氧 化 铅(P b O)纳米片,通过在A uN P s膜上覆盖自组装单层P b O纳米片构建复合S E R S芯片.当纳米片与HS共同孵育后,纳米片表面层中的P b O会原位转化为P b S,实现气态HS在 s内的快速响应和低于p p b痕量检测.此外,由于P b S在大于 的条件下被氧化并原位转化成P b O,这种复合S E R S芯片在使用后仅需加热即可具有良好的可回收性能.最近,Z h a o等通过一步溶液生长法将厚度约 n m的多孔氧化锌覆盖在镀金的硅纳米锥阵列上,构建了对气态B VO C(如苯、甲苯、硝基苯、二甲苯和氯苯等)高选择性捕获和痕量检测的复合芯片(图e).复合芯片对B VO C s分子具有高效的S E R S响应,一方面多孔覆盖层的羟基多孔结构对B VO C s具有较强的物理吸附,另一方面由于B VO C s通常是路易斯碱分子,而 表 面 暴 露 的Z n是 路 易 斯 酸 位 点,B VO C s和Z n O之间容易发生了强烈的化学相互作用.因此,该芯片可在室温下 s内对气态甲苯做出响应,最低检测浓度低于 p p b.最近,L i u等提出了一种增强氧化锌纳米颗粒的策略,通过扩展其表面产生的电磁场增强区域,进一步增强氧化锌纳米颗粒的电磁增强能力,从而成功检测非吸附挥发性有机化合物分子.这种MO F涂层策略为半导体衬底提供了各种潜在的应用.物理策略自然界中存在许多神奇现象,如荷叶上的水滴滑动和植物茎内的反重力吸水现象.这些现象涉及到一些物理原理.科研人员将这些物理原理应用于S E R S研究中,设计了一系列新颖的S E R S基底,实现了将分子集中到纳米结构的热点区域以达到超灵敏检测效果.疏水表面疏水S E R S基底可以在热点活跃的小区域内浓缩溶液中的分析物,成功实现高度稀释的样品中被缩聚到微米级别的区域.当S E R S基底是亲水性,液体样品干燥后自由扩散在基底表面.特别是,当液体样品浓度低于皮摩尔浓度时,液体体积中自由扩散的分子很难靠近线性尺寸为几到几十纳米的热点 区 域,极 难 获 取 较 强 且 重 现 好 的S E R S信号.因此,可通过构建具有疏水性的S E R S基底来提高信号强度和重复性.根据不同的设计原则,疏水表面可分为超疏水表面、滑移衬底和疏水涂层表面.超疏水表面指的是微米/纳米尺度的疏水粗糙表面,其水接触角大于 ,滑动角小于 .在超疏 水表面上,液滴 可 以 蒸 发 并 保 持C a s s i e B a x t e r型的不润湿现象.这使得超疏水S E R S基底可以高效地富集分析物分子.随着扩散极限的