基于SERS技术实现生物分子的间接定量检测及化学反应过程的实时原位监测

摘要

拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射现象，它可以反映分子的结构信息。分子化学键的振动和结构的微小变化都能灵敏地反映在拉曼散射光谱上，因此拉曼光谱可用来对物质进行分析、鉴别和定量，它的优势包括快速、无损、分辨率高和操作简便等。而表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS）技术的出现则进一步推进了拉曼技术的应用与发展，因为它克服了传统拉曼散射强度较低，同时荧光背景干扰较大等缺点。
　　近20年来，作为SERS技术的根本，高活性SERS衬底的制备一直是SERS领域的一个研究热点。然而，单纯地去开发新的SERS衬底，不断提高衬底的增强效果已经不能满足社会生产生活中的实际需求。近些年来，人们更多的研究重点是SERS应用的拓展，致力于将SERS技术与其他技术相结合，从而发挥出这种高效灵敏无损检测技术的更大价值。
　　本文首先以一种技术成熟、增强效果优异的银硅衬底为基础，拓展了SERS技术在生命科学方面的应用，主要是实现了葡萄糖分子的间接定量检测。并以此为基础，又成功通过差值法的思想实现了另一种重要生物小分子ATP的定量检测，该研究对于疾病的治疗和预防具有指导意义。随后又采用脱合金腐蚀的方法制备了新型的纳米多孔金（nanoporous gold，NPG）材料，将SERS技术与化学反应的实时原位检测相结合，致力于通过原位SERS技术来分析和理解化学反应机理，从而合理确定反应条件，提高反应的选择性、产物质量和收率，这对于当下人类社会面临的能源危机和环境问题都有着不言而喻的重要意义。论文的主要研究内容分为以下四个方面:
　　一、实现两种重要生物分子葡萄糖和ATP的定量检测。在研究过程中，采用本实验室开发的增强效果优异的银硅衬底，首先通过对色素CTC(charge transfer complex)的拉曼测试实现了葡萄糖分子的间接定量检测，检测限低至2.5×10-7M;而且相比于传统的分光光度法，该技术更加快速，更加灵敏。随后，在此基础上，结合葡萄糖磷酸化的反应过程，本课题开创性地提出了差值法检测ATP的新思路，成功地实现了ATP分子的定量检测，检测限低至4.69×10-7M。在此过程中还详细讨论了葡萄糖分子与ATP的浓度关系，并且通过验证实验证实了该差值法不仅灵敏度高，同时也具有较高的准确性。该项工作不仅为SERS技术用于生物分子的检测开拓了一种新思路，同时实现这些重要生物分子的快速精确检测对于疾病的诊断和预防也具有重要的意义。
　　二、NPG的制备及其性能表征。近些年来，由于具有比表面积大，化学性能稳定、导电能力强等优点，NPG成为了生命科学、化学、光学以及拉曼散射等多个领域的研究热点。在该部分，本课题以金银合金为原材料，使用简单易行的脱合金腐蚀方法制备出NPG衬底，正面和侧面的扫描电子显微镜图像清晰地展示了其多孔化结构，而且可以轻松地通过对腐蚀时间的控制实现NPG孔径尺寸的调控。通过对罗丹明6G分子的浓度系列测试证明了该衬底具有优异的SERS性能;同时还计算出其增强因子(enhancement factor,EF)高达106。该增强性能优异、化学稳定性好、导电能力强的SERS衬底在化学反应的原位监测方面有着广阔的应用前景。
　　三、原位SERS技术对对硝基苯硫酚(p-nitrothiophenol，pNTP)分子的光催化还原过程的研究。本课题以NPG为衬底，利用其SPR(surface plasmon resonance)光吸收的性质，进行了pNTP分子的光催化还原实验。本部分研究的创新点主要有三点:(1)纳米多孔金基底不仅催化了对硝基苯硫酚还原反应的进行，同时它还是一个高活性的SERS衬底，从而在光催化反应进行的同时，进行实时的原位拉曼检测，实现对整个反应过程的实时动态监测;(2)pNTP分子可以通过“Au-S”锚定在纳米多孔金衬底的表面，因此不仅能定性地，而且可以定量地实现对拉曼测试结果的分析;(3)激光光源不仅仅是拉曼检测的激励光源，同时也是光催化反应的光源。这不仅促进了氧化还原反应的发生，同时也简化了实验装置。研究结果表明，在没有负载铂、钯等金属的情况下，必须有光照和还原剂硼氢化钠的共同作用才能实现pNTP的还原，而且还只能还原到对巯基偶氮苯这一中间产物，不能完全还原到对氨基苯硫酚。
　　四、原位SERS技术对pNTP电化学还原过程的研究。电化学反应由于具有安全、清洁、工艺简单和能源转化率高等优点，已经得到了广泛的关注，并且具有广阔的应用前景。本课题以硝基苯的电化学还原反应为研究对象，将NPG作为SERS衬底和工作电极，搭建一个电化学反应的原位SERS监测平台，实现对电化学反应机理的研究（包括分子的转变，中间产物的捕获，反应的动力学信息等）。结果表明，无论是酸性还是碱性条件，都是直接还原过程占据主导地位;同时，本课题开创性利用断电操作揭示了还原过程中的中间产物在酸碱性电解质中的不同光稳定性;最后，结合密度泛函理论(density functional theory,DFT)计算，从反应的吉布斯自由能的变化对断电后酸碱性电解质中的不同原位SERS光谱变化进行了分析，DFT计算结果与实验现象相吻合。基于该课题的研究，搭建了电化学原位SERS监测平台，这对电化学反应机理的研究有着重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 拉曼散射与表面增强拉曼散射

1．1．1 拉曼散射

1．1．2 表面增强拉曼散射(SERS)

1．2 SERS衬底及其增强机理的研究现状和进展

1．2．1 SERS增强机理的解释和研究

1．2．2 SERS衬底制备的发展历程和最新进展

1．3 SERS技术在生物检测方面的研究现状

1．4 SERS技术在化学反应原位监测方面的研究现状

1．5 本课题的选题依据及研究思路

第二章 基于Ag／Si衬底实现对生物分子的间接检测

2．1 两步法实现葡萄糖分子的定量检测

2．1．1 过氧化氢定量关系的建立

2．1．2 葡萄糖定量关系的建立以及检测限的确定

2．2 差值法实现ATP分子的定量检测

2．2．1 对适宜葡萄糖浓度的探究

2．2．2 ATP检测限的确定以及检测精度的验证

2．3 本章小结

第三章 基于纳米多孔金实现对化学反应过程的原位拉曼研究

3．1 纳米多孔金的制备、结构表征和SERS性能研究

3．1．1 纳米多孔金的制备

3．1．2 纳米多孔金的结构表征

3．1．3 纳米多孔金的SERS性能研究和增强因子EF的计算

3．2 原位拉曼技术对对硝基苯硫酚分子光催化还原过程的研究

3．2．1 激光波长对光催化还原对硝基苯硫酚的影响

3．2．2 还原剂硼氢化钠对光催化还原对硝基苯硫酚的影响

3．3 原位拉曼技术对对硝基苯硫酚分子电化学还原过程的研究

3．3．1 原位反应池的搭建

3．3．2 原位拉曼技术对电化学还原对硝基苯硫酚的监测及机理分析

3．3．3 密度泛函理论模拟以及中间产物的分析

3．4 本章小结

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

硕士期间研究成果

致谢

导师及作者简介