石墨纳米囊在SERS定量分析和生物医学中的应用

【摘要】：随着激光的发明,以及后续激光器和探测器技术的进步,以前发展缓慢的拉曼光谱进入一个高速的发展阶段;另一方面,得益于现代纳米科学的发展,表面增强拉曼光谱(Surface enhanced Raman spectroscopy)技术,即SERS技术,发展迅速。SERS技术能够对SERS活性基底,主要为金和银等纳米贵金属表面或附近的分子的拉曼散射信号进行增强。因此,基于SERS技术发展起来的拉曼光谱检测技术的灵敏度得到极大的提高,也丰富了拉曼光谱技术的应用领域。SERS技术具有半峰宽窄、检测灵敏度高、快速、抗光漂白、强大的多目标检测能力以及丰富的的指纹信息可实现非标记检测等优点。目前,拉曼光谱技术在生命科学、食品安全、环境、考古和材料科学等领域具有较大的应用价值。虽然SERS技术拥有以上所述的诸多优势,但是SERS技术有其急需解决的问题。首先,SERS信号的重现性以及SERS定量分析不准确等问题一直阻碍着SERS检测技术的发展;其次,在多色SERS探针成像应用方面,为应对生物复杂体系内源性生物分子的干扰,提高生物成像准确性以及提高SERS探针在生物体系内的稳定性,人们期望开发出新型、多色、低背景、稳定的SERS探针;最后,在生物复杂体系的SERS非标记检测中,SERS技术的抗干扰能力一直未能提高,如今,随着人们生活水平的提高,人们对自身身体健康更为关注,人们希望开发出优良的即时检测技术(Point-of-care test),即POC检测,SERS技术在POC检测领域具有显著优势,然而,要将SERS技术向POC转化的重要的一点是提高SERS技术在POC检测中的抗干扰能力,从众多生物分子干扰的体系中检测出疾病标志物分子。综合SERS技术以上所述优势和存在的问题,本学位论文从提高SERS定量分析准确性,构建新型、多色、低背景、超稳定的SERS探针用于提高癌细胞膜蛋白模式识别的速度和准确度以及提高SERS技术在POC生物复杂样本检测中的抗干扰能力三个方面进行研究,主要研究内容如下:(1)内标法提高SERS定量的准确性。首次以石墨纳米材料作为SERS定量内标分子,设计合成用以提高SERS定量分析的纳米结构,该方法主要建立在SERS内标法定量技术基础之上。第二章中,本论文设计合成多层石墨烯包覆磁性纳米颗粒表面组装致密金纳米颗粒(AGN)的纳米结构,提高了色素分子罗丹明B(RhB)定量分析的准确度;第三章中,为进一步提高SERS定量的准确度和SERS检测体系的稳定性,本论文设将少数几层石墨烯包覆在金纳米颗粒(GIAN),设计合成了金-石墨烯核壳纳米粒子,提高了内标分子与SERS基底表面分析物电磁场环境的相似度,实现了SERS定量分析准确度的提高及食品中结晶紫的快速检测。石墨烯这一内标分子光学性质和纳米结构均非常稳定,同时利用其2D特征峰,位于细胞内拉曼静默区(1800-2800 cm~(-1))。因此,检测过程无背景干扰,这部分研究表明石墨纳米材料在SERS定量检测和抗干扰检测领域具有巨大的应用潜力。(2)各向异性石墨烯包覆贵金属纳米颗粒的设计合成及应用。GIANs在提高SERS定量准确性方面具有巨大潜力,为进一步提高SERS定量分析的灵敏度及金石墨烯复合纳米材料的功能,因此期待设计合成各向异性的金-石墨烯核壳纳米结构,但是为了实现少数几层石墨烯在贵金属表面的完整包裹,CVD法最为常用,然而,CVD过程为高温过程,各向异性金属纳米材料极易熔融成球状纳米粒子,因此合成少数几层石墨烯包覆的各向异性贵金属纳米结构充满着挑战,第四章中,本论文首次成功以CVD法,在金纳米棒(AuNR)表面完整包覆少数几层石墨烯,实现高灵敏、多模态成像(拉曼及双光子荧光成像)。(3)低背景、多色、稳定的SERS探针的设计合成及在癌细胞快速分型中的应用。为提高肿瘤诊断的准确性和诊断效率,研究者往往需要同时对多个生物标志物进行检测,相对于其他多目标检测编码探针而言(如,荧光),SERS技术在多目标快速检测领域具有极大优势,拉曼编码探针具有半峰宽窄、抗光漂白、单激光激发多特征峰发射的优点,可实现多目标快速检测并且大大简化分析设备。然而,常规SERS探针复杂的指纹谱很大程度上增加了光谱分析的难度,因此需要构建指纹谱简洁的多色SERS探针。在第五章中,本论文构建了新型、低背景、多色、超稳定的金石墨烯复合纳米材料的编码探针应用于癌细胞膜表面多个蛋白靶向成像检测,我们采用同位素法对GIAN粒子的石墨烯壳层2D峰位移进行调控,设计合成五色GIAN粒子,其中三色GIAN分别修饰上不同的核酸适配体(人工抗体),对癌细胞膜表面多个靶标进行靶向成像检测,实现不同癌细胞的模式识别与分型,GIANs SERS编码探针表现出准确的成像检测能力及极高的稳定性。(4)POC(Point-of-care)检测,即时检测是以构建低成本、快速、高灵敏体外检测平台为目标,而检测设备本身应便携齐全并可应用于任何地点,SERS技术拥有丰富在指纹信息及非常高的灵敏度,在POC检测领域中具有其独特优势。然而,这种即时检测中,样本成分通常比较复杂,样品中其他复杂成分常常对检测方法产生严重的干扰,因此为将SERS技术转化为POC检测设备最为关键的是克服样本大量非目标分子的干扰。在第六章中,基于SERS技术,本论文成功实现血清样本中的黄疸相关疾病标志物,自由胆红素(BR)的即时检测检测。首先,将GIANs修饰在纤维滤纸条表面,得到具有高SERS活性的试纸条即CS@GIANs,由于滤纸本身的三维结构,GIANs纳米粒子在试纸条表面形成三维组装因而具有较高的SERS活性,更为重要的是该试纸条集合了滤纸的分离富集功能、GIANs对疏水性分子的优先吸附功能和内标校正性能,各性能协同作用,从而能够克服血清样本中大量非目标分子的干扰。整个检测过程便携、快速、准确,且无需样品前处理,此外CS@GIANs试纸条中的石墨烯内标信号可以校正便携式拉曼光谱仪测试过程所带来的定量误差,因此,这一SERS试纸条在POC检测领域具有重要的实际意义。