SERS生物医学论文

1表面增强拉曼的原理

1.1SERS闪烁和摆动

有文献报道在单颗粒和纳米聚集体上发现了不连续表面增强拉曼散射现象。典型的闪烁时间间隔从毫秒到秒不等。最近的研究发现SERS闪烁包括了热激活和光诱导两个部分。许多证据显示这种SERS信号的波动是由于热激活分子在颗粒表面的扩散而产生的。利用波长分辨光谱进而发现信号波动来自增强拉曼散射，而不是光致发光或者瑞利散射。测量的信号强度包含了拉曼和背景信号在557–663nm的波段的总和。另一个重要的特征是SERS光谱包含了很强的背景信号。这种背景信号并不是R6G的荧光而是SERS的连续发射信号。在SERS闪烁的“Off”阶段，光数量很少，这说明SERS信号和背景信号是成正相关的，而且是同时波动的。Michaels等发现SERS强度和背景信号随时间成高度相关。大量的数据统计发现在0.1mW激光激发下，SERS闪烁的On-time大约是80ms。另一个有趣的发现是SERS光谱摆动现象，就是SERS信号会突然改变他们的频率。这种现象首先由Nie和Emory报道。他们发现拉曼信号的频率变化可以有10cm-1的改变。SERS光谱波动的另一个来源是含碳基团和其他光解化合物。实验过程中需要把单分子SERS信号与污染分子的信号区分开来。有研究发现环境中的氧气在SERS闪烁中扮演了重要的角色。在含氧环境中SERS闪烁的频率很快，波动的幅度更大。其它的理论和实验则认为SERS闪烁来自于颗粒本身而不是吸附分子的扩散，因为在无吸附物的条件下如银粉和气相沉积银膜，同样观察到了闪烁现象。

1.2SERS活性位点

一个关键问题是关于颗粒表面的活性位点的结构和性质。之前的研究发现SERS活性位点很可能是吸附原子、原子簇和颗粒尖端。这些位置可以通过共振电荷转移和类似共振拉曼增强方式进行化学增强。换句话说，吸附分子和活性位点之间的耦合可以产生新的金属配体或者配体金属之间的电荷转移，这种状态可以用可见光激发。Hildebrandt等认为SERS活性位点是高亲和性结合位点。为了进一步研究这些SERS活性位点，Doering等使用了一种整合流动注射和光谱装置来研究吸附分子被其他分子置换现象。在加入卤化物之前，SERS光谱经常包含很宽的背景和柠檬酸根的微弱信号，但是没有R6G的信号。在加入卤化物之后，他们发现R6G的SERS光谱很快替换了柠檬酸根的光谱，R6G的信号在10-30min中不断增加。这种置换行为是连续的，最终SERS光谱被一种或吸附在活性位点的少量分子信号主导。这些结果也进一步说明，这些SERS活性位点最开始是没有活性的或者被柠檬酸根离子所占据。卤离子在颗粒表面的吸附可以帮助R6G在颗粒表面的吸附，并且阻碍柠檬酸根离子在活性位点的吸附。

1.3化学激活和失活

研究SERS机制时面临的一个重要困难是将化学增强因素从电磁效应中分离出来。为了解决这一问题，Doering等使用了整合流动注射和超灵敏光学成像系统直接研究化学增强。他们的实验系统中胶体银颗粒被固定在微流动装置的玻璃表面，在固定颗粒表面加入化学试剂就可以实时观察到单颗粒SERS信号。这种单颗粒原位表面等离子体散射研究发现在经过化学处理后，单颗粒的电磁性质并未改变。因此观察到的SERS光谱变化应该主要来自于化学增强。他们的实验数据表明3种卤粒子(Cl、Br和I)有显著的SERS激活效应，而其他离子，如柠檬酸根、硫酸根和氟化物则对单颗粒SERS信号几乎无影响。然而，他们发现硫代硫酸根离子则会使SERS信号完全消失。在对颗粒处理卤粒子和硫代硫酸根处理25min后，未产生任何表面等离子体散射的变化。因为表面等离子体散射可以用于测量单个和多个颗粒的电磁场性质，因而他们认为这种观察到的激活/失活效应主要来自于颗粒表面的原子尺度的改变，而不是大尺度的颗粒电磁场性质改变。进一步的波长分辨实验表明，单颗粒等离子体散射可以引起散射光谱小的改变，但是这种小的位移不太可能引起电磁增强发生大的变化。事实上，之前的研究显示表面等离子体光谱通常很宽，而单分子SERS与表面等离子体散射并不直接相关。

1.4单颗粒和多颗粒的SERS比较

为了比较单个颗粒和小聚集体之间的SERS活性，Khan等核实了SERS活性位点是否跟表面缺陷或者颗粒间隙有相关性。不过结果显示，高SERS活性跟表面性质没有显著相关性。另外，他们也发现有些固定的单颗粒与Dimers和Trimers的平均SERS强度相似，但这些信号强度比那些大聚集体的信号低3-4倍。但是单颗粒的SERS信号重复性更好，而且具有更窄的光闪烁时间间隔。尽管理论预测单个纳米颗粒周围的电磁场强度没有两个颗粒之间的Nano-gap的强，但每个颗粒可以吸附大量的分子。当单个颗粒表面吸附了单层拉曼分子时，其SERS信号就达到最大值。当分子定位在两个靠近的纳米金纳米缝隙中时，可以使SERS信号得到极大增强。然而，事实上，很难制造出这种Dimer或Trimer，可以让分析物非常精确地定位在Nano-gap里。并且，金属纳米颗粒是被周围的电子云包围，他们可以通过静电排斥阻止其他颗粒靠近。这种静电排斥可以被强电解质减弱，但这样经常会引起不可控的颗粒聚集和沉淀。一个可行的办法是加入高分子或表面活性剂提供空间位阻，因而阻止纳米金的直接接触。Chen等制备了Au@Ag的Dimer和Trimer结构，他们发现dimer的SERS效果是单颗粒的16倍，而trimer是单颗粒的87倍。Lee近一步研究了Dimer之间的距离跟SERS效应的关系，发现当Dimer之间的gap达到1nm以下时，增强因子可以达到1013。

2表面增强拉曼探针的制备

纳米技术的发展给SERS技术的发展带来了新的活力。第一代SERS探针是由Porter等制备，他们使用拉曼分子和定位配体在金属纳米颗粒上共吸附的方式。然而，这种方式的一个很大局限性就是这些纳米探针由于没有跟外界的环境隔绝，容易发生光谱变化和胶体聚集。为了解决这个问题，许多实验室使用了各种各样的包裹策略。聚二乙烯基包裹的SERS探针可以很好的保护探针，但对于生物偶联需要二次修饰，并且这种微米级的尺寸不太适合做细胞内的分子检测。二氧化硅修饰的探针是在纳米级的，也适合生物分子共组装。这种核-壳结构的SERS探针包含了3种关键组分：金属核心用于光学增强，报告分子用于光谱分析，二氧化硅壳用于保护和生物偶联。这种设计成为SERS探针生物分析应用的基础模式，并可免受外界环境的干扰。完整的二氧化硅包裹可以增强SERS探针在高电解质下的稳定性。但是一个缺点就是这种二氧化硅包裹的颗粒容易非特异吸附蛋白和细胞表面。二氧化硅包裹技术需要拉曼分子带有巯基或者异硫氰酸酯用于表面吸附。Qian等设计了一种新的SERS探针可以解决以上面临的问题。PEG修饰的SERS探针由3个组分组成：60nm的柠檬酸保护的纳米金，拉曼分子和PEG-SH(5000MW)（图5）。UV-Vis吸收，TEM，DSL测量显示在纳米金溶液中加入MGITC后没有明显的聚集。加入少量的MGITC没有改变纳米金在533nm的等离子体共振峰，但假如SH-PEG后有1nm的红移。PEG-SH保护的纳米金颗粒具有很小的非特异性吸附和可忽略的细胞毒性。另外，使用不同修饰的PEG可以偶联多种生物配体分子。PEG-SH修饰纳米金颗粒可以使用非巯基拉曼分子结合在纳米金上，同时却可以阻止溶液里的其他分子接近纳米金表面。与二氧化硅包裹不同的是。PEG-SH包裹并不会将吸附的非巯基拉曼分子置换掉。根据对多种拉曼分子如CrystalViolet、NileBlue、BasicFuchsin和CrysylViolet关于Perchlorate的研究显示，这些非巯基的染料跟PEG-SH可以很好的兼容。事实上，使用CrystalViolet的SERS探针可以稳定超过11个月。研究中使用的染料都是带正电荷的，并包含多个π键。这说明很多种类的有机分子可以作为拉曼分子用于PEG-SH包裹的SERS探针。为了将SERS探针用于多元检测和成像，需要筛选出不同的拉曼分子，由于拉曼分子拉曼峰有时会重叠，对多元检测造成困难。Wang合成了一种有机物-纳米金-量子点的复合纳米SERS探针，这种探针可以进行SERS和荧光的双重生物标记，进而可以用于生物标记物的生物条形码分析，增强了多元检测能力。

3表面增强拉曼在生物分析中的应用

在过去的十几年中，研究者在SERS用于超灵敏检测生物分子方面投入了极大的兴趣，如血红蛋白、葡萄糖、肿瘤基因、病原体、生物毒素和病毒检测。SERS是一种近场探针，对周围的环境很敏感。几个研究小组的成果表明如果在金属纳米颗粒或者核壳结构的颗粒表面修饰上pH敏感的SERS探针分子，SERS可以作为一种pH纳米探针用于细胞内或者细胞外检测。总体来说，在SERS应用方面现在有两种类型的工作：第一种类型是使用单分子SERS用于单一分析物如DNA碱基对和单个血红蛋白的指纹图谱分析，这里，待分析分子被放置在单个颗粒的Hotspot位置或者是纳米颗粒的聚集处；第二种类型是从纳米颗粒表面覆盖的单层分子上获得的SERS图谱，这种图谱可以得到明确频率和带宽的宏观数据。如果胶体纳米粒子和分析物不受外界环境的影响，那么得到的SERS图谱强度和重复性都是可控的。这种设计在复杂的细胞样品或者全血分析中有强大的优势。

3.1生物标记物检测

Jin等以多种拉曼分子修饰的纳米金为SERS探针设计了一种多元SERS检测平台。每种SERS探针对应一种DNA检测分子，并使用银沉积增强SERS信号，实现了多种DNA分子的同时检测。Kang等设计了一种Particle-on-wire的SERS传感器用于DNA的多元检测。在纳米线与纳米颗粒之间形成的Nanogaps里Hotspots可以显著增强SERS活性，实现了多种病毒DNA分子的检测。Souza等最近的工作使用了SERS探针实现了细胞内特定生物分子的定位检测。他们使用Au-噬菌体-咪唑复合物用于标记溶液里的细胞。但是噬菌体本身有很高的SERS背景信号，降低了实验的信噪比，而且探针光谱容易发生变化。Huang等证明了抗体标记的金纳米棒作为癌细胞诊断探针，这种探针使用CTAB作为SERS的拉曼分子。他们将金纳米棒修饰上聚苯乙烯磺酸钠来稳定溶胶体系，将纳米棒的表面电荷从负电荷变成正电荷。Hu等将氰基团偶联在拉曼分子上以此来区分其他分子的振动峰。Yu等将纳米银结合上荧光染料，可实现细胞和组织的SERS和荧光的双重成像。

3.2单细胞分子成像

偶联生物分子的SERS纳米探针已经用于识别肿瘤细胞上的蛋白标记物。对肿瘤细胞检测来说，可使用SH-PEG（~85%）和SH-PEG-COOH（~15%）的混合物来制备可定位纳米金颗粒。双修饰的PEG可以共价结合ScFv抗体上，ScFv抗体可以与表皮生长因子特异性结合。人头部和颈部肿瘤细胞(Tu686)都是EGFR阳性的（每个细胞有个受体），可以用SERS方法检测到。相反，人非小细胞肺癌则不表达EGF受体，不能显示出SERS信号。人们使用一种近红外染料(DTTC)用作光谱探针用于785nm的表面增强共振拉曼。这种共振增强不会引起光漂白，因为这种吸附染料将有效能量转移到金属颗粒而免于光降解。这种共振效应可进一步将SERS效果提高10–100倍。这种灵敏度足够用于单个癌细胞的拉曼分析。EGFR是EGF抗体的特异靶标，也是蛋白激酶疗法的重要蛋白，因此单细胞SERS分析检测EGFR对临床诊断有重要意义。

3.3体内肿瘤定位和检测

为了确定在动物组织中能否从PEG修饰的纳米金颗粒上得到SERS图谱，Qian等在活体动物皮下组织和深层肌肉组织注入小量的SERS探针。结果表明可以同时在皮下组织和深层肌肉组织得到高度可辩SERS信号。尽管由体内得到的信号强度减少了1-2个数量级，但得到的SERS图谱与体外的图谱一致。由于实验的信噪比很高，可以估算对于体内SERS肿瘤检测可以探测的深度是1-2cm。为了实现体内肿瘤定位和成像，偶联了ScFv抗体的纳米金颗粒通过尾静脉注射进入肿瘤小鼠体内。使用785nm的激光照射了肿瘤和非肿瘤部位。可以看出在肿瘤部位可定位SERS探针与非可定位SERS探针的SERS图谱有明显的差距，然而对于非肿瘤区的SERS信号则很相似。结果说明了ScFv抗体偶联的纳米金颗粒可以定位EGFR阳性的肿瘤组织中。时间分辨的SERS数据近一步表明了SERS探针在进入小鼠体内4-6h是逐渐积累的，并且大多数的探针保留在肿瘤组织超过了24h。在生物体系研究方面，SERS可以直接用于分析水相生物分子的结构状态研究且所需样品用量少。将SERS技术用于生物研究的先驱是Koglin、Nabiev和Cotton等。此后，大量的研究工作证实了这一技术能够解决生物化学，生物物理和分子生物学中的很多问题，如蛋白质，核酸及其组分等的分析与鉴别，生物分子的某些基团与界面的相互作用研究，生物分子与金属表面的键合方式等。

4结束语

本文讨论了SERS的基本原理和增强机制，重点介绍了基于SERS的生物医学应用，并探讨了SERS的细胞成像、活体成像等领域的研究进展。SERS成像作为一种快捷、高效、无损、高灵敏度的检测手段，在生物医学、药物、食品检测等领域展现了巨大的应用潜力，特别是在生物医学领域的细胞成像、肿瘤识别等方面的研究更具有重要价值。同时，SERS成像也面临一些问题，如每个像元的积分时间过长、SERS探针的制备困难等等。目前开展的工作仍处于临床前研究阶段，要实现SERS成像技术在肿瘤疾病临床诊断上的实际应用还需要各个不同学科领域的研究者加强沟通与合作。

作者：王东方 宋世平 单位：中国科学院上海应用物理研究所 中国科学院大学