4MBA诱导聚集的金纳米粒子随时间变化的消光谱
近年来, 利用多功能光学探针来探测生物样品已经引起了人们越来越多的重视. 表面增强拉曼散射(SERS)作为一种高灵敏的探测技术, 已经被广泛地用于生物分子的检测, 例如葡萄糖传感、核酸检测和蛋白质检测等, 甚至成功应用于检测活细胞的生理活动以及癌症肿瘤诊断等领域. 相对于荧光探测技术, 表面增强拉曼散射的谱线更窄, 且不会被光漂白, 因此可以作为分子指认和多通道探测. 金纳米粒子不仅是优良的SERS基底, 而且具有良好的化学稳定性和生物兼容性, 因此金纳米粒子被广泛用于生物检测的研究. 然而, 金纳米粒子的SERS增强效果不如银纳米粒子显著, 尤其是单个的金纳米粒子, 由于缺少粒子与粒子之间耦合的局域场共振增强, 因此在实验中需要相对较强的激发场才能获得较为理想的SERS 增强信号.
近年来, 研究表明通过将金属纳米粒子进行聚集, 可以使金属纳米粒子之间产生大量“热点”, SERS效应明显增强. 具体来说, 金属纳米粒子的聚集是通过使用氯离子和硫酸根离子等离子来破坏金属纳米粒子表面的静电平衡来实现, 然而这种聚集通常会随着时间的增加最终变成巨大尺寸的不可逆转的沉淀, 使得SERS探针的稳定性逐渐变差. 应用于生物体检测的SERS探针, 不仅要求探针具有较高的SERS的灵敏度, 而且需要探针具有适合的尺寸和形貌以及良好的稳定性和生物兼容性. 要获得具有良好稳定性及生物兼容性的SERS探针,可以通过在金属纳米粒子表面包裹聚合物或者二氧化硅的方法来实现. 聚合物可以“淬灭”金属纳米粒子的聚集状态, 并且长时间保持探针的SERS灵敏度. Nie等报道了利用带巯基的PEG聚合物包裹的金纳米颗粒作为SERS增强基底, 并将其成功用于活体小鼠的肿瘤组织探测. 包裹二氧化硅外壳具有很多优点,例如较好的稳定性、良好的水溶性、低特异性结合能力以及较低的自荧光等. Brown等提出利用二氧化硅包裹的聚集银钠米粒子以及聚集金纳米粒子, 在一定的条件下, 可以使得SERS信号得到优化, 同时保证SERS探针的化学稳定性. Li等将金纳米粒子表面包裹薄层二氧化硅, 该结构具有很高的SERS灵敏度并且成功用于农药残留检测以及酵母菌的结构检测等.
尽管高效的SERS增强基底的报道层出不穷, 但是由于基底的尺寸形貌、表面亲和性以及生物兼容性的限制, SERS探针在生物上, 尤其是活细胞中的应用仍然相对较少.
东南大学先进光子学中心崔一平等人利用金纳米粒子的聚集体作为表面增强拉曼散射 (Surface enhanced Raman scattering, SERS)的增强基 底, 合成了一种二氧化硅包裹的核壳型SERS探针, 并成功将该探针应用于活细胞的SERS光谱探测. 实验中利用4-巯基苯甲酸(4-mercaptobenzoicacid, 4MBA)作为拉曼标记物, 并讨论了其在诱导金纳米粒子的聚集过程中的作用. 通过包二氧化硅外壳来实现对金纳米颗粒聚集程度的控制, 保持并优化了该探针的SERS活性. 同时, 通过在金纳米颗粒外包裹一层二氧化硅外壳, 该SERS探针的化学稳定性和生物兼容性得到了很大的提高. 利用紫外-可见吸收光谱仪以及透射电子显微镜研究了该探针中金纳米颗粒的聚集程度以及核壳结构的形貌. 实验结果表明该探针在活细胞内具有很好的SERS灵敏度, 并且生物兼容性好, 可以进一步用于细胞内生理活动监测.