● 摘要
表面增强拉曼光谱（SERS）能够得到分子的结构信息和化学反应的动态过程，灵敏度高，选择性强，可以进行原位的无损研究，已经被广泛应用于化学、生物、医药和环境等各个领域。但SERS技术依赖于基底材料，贵金属材料因为增强性能的优异而被大量使用，同时也限制了SERS的应用范围。本文将SERS的研究扩展到了过渡金属材料、半导体材料和半导体贵金属自组装材料的表面，并将SERS光谱应用于核酸样品的定性和定量检测。本文具体研究内容包括以下几个部分：1、制备过渡金属Co纳米链结构，在表面修饰4-巯基苯胺（4-ATP）分子，得到了质量较高的SERS光谱图，估算该体系的增强因子为104-105。通过模拟计算解释该体系的增强机理，发现实验中SERS光谱图与密度泛函理论（DFT）模拟的光谱特征峰吻合。DFT的模拟结果表明该体系有1到2个数量级的化学增强作用，离散偶极子近似（DDA）模拟结果表明约有约4个数量级的电磁增强作用，模拟得到的增强因子数量级与实验结果一致。这项研究将SERS技术扩展到了过渡金属材料表面，也为分子和过渡金属表面相互作用的原位研究提供了新的方法。2、制备了SnO2小八面体纳米颗粒，通过拉曼光谱和光致发光光谱研究表明该材料表面存在一定的缺陷。在SnO2纳米颗粒表面分别修饰了4-巯基苯甲酸（4-MBA）和4-巯基硝基苯（4-NBT）两种探针分子，得到了SERS光谱图，估算增强因子约为3个数量级。在该基底表面选择任意区域做拉曼mapping实验，结果表明探针分子在基底表面的增强拉曼特征峰在该区域的峰强相对标准偏差（RSD）在10%以内，说明这种材料作为基底有很好的增强重复性和均一性。对该体系进行DFT模拟，得到的SERS光谱特征峰与实验结果吻合，模拟结果还表明该体系的增强主要源于SnO2纳米材料和探针分子之间的电荷转移作用（CT）。3、制备了表面粗糙的Cu2O纳米球，在纳米球表面修饰4-MBA分子，观察到了SERS现象，从实验结果估算增强因子约为5个数量级。在实验中观察到4-MBA分子和4-巯基吡啶分子的非对称性振动模式得到了增强，曾有研究表明该模式的增强完全源于化学增强效应，说明本体系存在化学增强作用。DFT的模拟结果也显示Cu2O纳米球和所吸附的探针分子之间存在静化学作用和CT效应，另外时域有限差分法（FDTD）模拟结果还表明Cu2O纳米球体系存在1到2个数量级的电磁增强效应，这种作用可能是Cu2O纳米球的粗糙表面引起的避雷针效应。实验及理论模拟结果表明Cu2O纳米球是一种有前景的SERS基底，将SERS光谱的研究扩展到Cu2O纳米颗粒，有助于SERS光谱机理的研究和拓展SERS技术的应用范围，同时也使得SERS可能成为一种在半导体材料表面原位研究分子作用的有效手段。4、通过在非常薄的TiO2纳米片表面沉积Au纳米颗粒，制备了一种Au/TiO2/Au纳米复合结构，该材料作为SERS基底成本低，容易制备。复合结构中的TiO2纳米片厚度为5 nm左右，纳米片一方面作为模板能够沉积更多的Au纳米颗粒和吸附更多的待检测分子，另一方面TiO2纳米片还能够使得沉积在两边的Au纳米颗粒之间也能产生等离子体耦合效应，增大了基底的增强活性。选取基底表面的一定区域做拉曼光谱点mapping实验，结果显示探针分子光谱特征峰峰强在一个较大区域内的RSD在10%以内，表明该基底增强活性均匀，重复性好。在该基底表面修饰腺嘌呤分子，结果显示所制备的Au/TiO2/Au纳米复合结构可以作为一种灵敏的SERS基底用于生物分子的免标记无损检测。5、以Ag纳米颗粒作为基底，用SERS光谱法定性检测了DNA的四种脱氧核糖核苷酸，并使用同位素标记的脱氧核糖核苷酸为内标物，通过检测脱氧核糖核苷酸及其同位素内标物的SERS光谱，结合最小二乘数据分析方法定量检测了相应脱氧核糖核苷酸dAMP和dCMP的浓度。同位素标记样品和待测样品有相似的物理化学性质，作为内标能够消除SERS基底、激光光源和仪器等实验条件带来的误差，使SERS光谱定量检测精准度大大提高。该方法能在1到25 μg/mL范围内定量检测dAMP，检测结果偏差在3%以内，相对标准偏差在2%以内，表明该方法的检测精确度高。使用HPLC方法和SERS光谱法检测同一dAMP样品，结果表明SERS光谱结合同位素内标的方法检测dAMP的精确度能达到HPLC方法的水平。最后我们还在DNA的四种脱氧核糖核苷酸的混合液中加入脱氧核苷酸的同位素标记物LdAMP或LdCMP，检测得到了混合液中dAMP或dCMP的浓度，测试所得样品的浓度与实际样品浓度的偏差在5%以内，RSD在6%以内，能到达文献中报道的LC/MS测试方法精确度。和HPLC和LC/MS等方法相比较，SERS光谱检测方法无需对样品进行标记和前处理，制样简单，对样品无损坏，测试快速，为原位定量检测核苷酸样品提供了新的途径和思路。