薄膜組裝技術制備表面增強拉曼散射增強基底及其應用進展*

楊東梅，徐維平，徐婷娟，吳亞東，金勤玉，盛竹君

(1.安徽中醫藥大學，安徽 合肥 230012； 2.安徽省立醫院，安徽 合肥 230001)

薄膜組裝技術制備表面增強拉曼散射增強基底及其應用進展*

楊東梅1，徐維平2，徐婷娟2，吳亞東1，金勤玉1，盛竹君1

(1.安徽中醫藥大學，安徽 合肥 230012； 2.安徽省立醫院，安徽 合肥 230001)

表面增強拉曼散射(SERS)定量檢測痕量分析中均一、穩定、重復性好的活性基底膜至關重要。薄膜組裝技術制備的納米薄膜高度有序、厚度均一、可控，可增強分析物分子的拉曼信號，提高SERS的特異性和靈敏度。SERS技術制樣簡單、不受溶劑水的干擾，可以實現在分子水平上無損、靈敏、定量的檢測痕量分析物。目前已廣泛應用于環境科學、生物醫藥、材料科學等不同領域。該文對SERS增強基底的薄膜組裝技術及其在環境污染物和癌癥檢測方面的應用和進展進行了綜述。

表面增強拉曼散射；增強基底；薄膜組裝技術；癌癥檢測

1928年，C.V.Raman首次發現拉曼散射效應。1974年，Fleischman等[1]發現，將吡啶分子吸附在粗糙銀電極表面，拉曼信號可增強5～6個數量級，稱為表面增強拉曼散射（SERS）。SERS作為一種非侵入性的檢測手段，能無損、靈敏地給出待檢測物質的組成與結構信息[2]。SERS的產生依賴于具有一定粗糙度的貴金屬基底，因此具有高 SERS增強活性、靈敏度、整齊均一、高穩定性和可重復性的增強基底是實現物質痕量分析、定量檢測的關鍵。研究表明，功能化的金屬納米材料通過薄膜組裝技術中 Langmuir-Blodgett（LB）組裝和層層自組裝（LBL）技術制備成具有特定物理化學性質的增強基底，已廣泛應用于生物醫學、環境科學、材料科學、生命科學、考古學等眾多領域，具有非常廣闊的應用前景。筆者對LB組裝技術和 LBL組裝技術中的浸漬組裝[3]、旋涂組裝[4]、噴涂組裝[5]及其在環境污染物和癌癥檢測方面的應用綜述如下。

1 SERS基底組裝技術

1.1 LB組裝

LB組裝是將納米材料分散在不溶于水的易揮發有機溶劑中（氯仿或正己烷），均勻鋪展分散在水表面，待有機溶劑揮發，沿水平方向對液面施加壓力，使材料在氣-液界面上形成緊密有序排列的納米級單層[6]，采用合適的固體襯底將其從液體表面轉移，得到高度整齊、均一有序的膜。LB組裝條件溫和，在常溫下即可進行，襯底選擇范圍較廣，如玻璃片、金屬片、半導體基片等。組裝方式靈活，可制備單層膜，也可層層累積成多層膜，可組裝單一材料，亦可交替組裝兩種及多種材料；可實現分子水平上精確控制膜厚度[7]，且不改變材料本身的性質；LB基底膜中分子可高度有序排列，均一性較高，幾乎無缺陷。

Lee等[8]制備銀納米立方體（Ag nanocube），通過純化、修飾后，利用LB組裝成超疏水性Ag nanocube膜，僅需要1 μL，即可追蹤檢測到10-16mol／L的羅丹明-6G(R6G)，增強因子高達1011，物質的量濃度在10-7～10-10mol／L范圍內，均可實現定量檢測。

1.2 LBL組裝

LBL組裝是指利用逐級交替沉積的原理[9]，借助各層分子間的作用力，使層與層之間形成結構完整、性能穩定、具有特定功能的薄膜。LBL組裝包括浸漬組裝、旋涂組裝、噴涂組裝。1966年，Iler等[10]通過交替吸附將帶相反電荷的膠體粒子構筑成更多層薄膜結構。1991年，Decher等[11]首次利用帶相反電荷的聚電解質通過靜電作用反復交替自組裝成多層納米復合膜，而且薄膜層間以離子鍵方式結合、沉積，達到一種平衡狀態，為從分子水平控制膜厚度和膜結構提供了可能。

LBL組裝的材料具有廣泛的選擇性，可以是各種形貌的金屬納米材料，也可以是DNA、蛋白質、多糖等生物大分子。薄膜厚度和粗糙度可控，高度有序，且每種技術在實現自動化和提高分層等方面具有較大的創新[12]。

浸漬組裝：是將形貌和尺寸不同的襯底浸泡在含有所需材料的溶劑中，然后洗去未被吸附的材料。浸漬組裝技術簡單，材料選擇具有易用性和通用性，襯底不受尺寸和形貌限制，且組裝的多層基底膜均一性較好。但是顆粒基底組裝時的離心步驟會破壞顆粒，導致顆粒團聚，耗時且勞動強度較大，難以實現自動化，因此浸漬組裝的核心在于避免離心，可通過對添加的聚合物進行定量，計算出顆粒基底的表面飽和數量來實現。目前大量的研究工作致力于轉換沉降動力，減少組裝時間和人力勞動，實現快速沉降動力學與自動化系統相結合[13]。浸漬組裝已廣泛應用于發光二極管、有機物檢測、藥物運輸等不同領域，在新產品的研發和提高基底膜質量方面發揮重要的作用。Su等[14]合成了形貌較好、粒徑較均一的星狀納米金材料，將氨基化修飾后的玻璃基底浸泡在此凝膠中攪拌過夜，用水清洗、干燥后作為SERS的活性基底，可實現對10-11mol／L尼羅藍A和10-9mol／L R6G等有機分子的檢測。

旋涂組裝：是將聚合物或納米凝膠材料滴在基底表面進行鋪展，通過高速旋轉產生的離心力促進材料的均勻沉積[15]，加速溶劑的揮發，甩離多余的涂層材料，形成穩定的理想型基底膜的技術。旋涂制備的薄膜的厚度、形貌、微觀結構具有良好的重復性，主要與溶液的濃度與黏度、襯底的浸潤性、溶劑的揮發速度及旋轉速度有關[16]，而與滴加速率、溶液的量及涂布時間關系甚微。使用商用旋轉鍍膜機可實現組裝自動化，襯底平行于旋轉軸，旋轉離心力直接將聚合物材料推到襯底上，靜電作用力引起聚合物的吸附和重排，離心力、空氣剪切力和黏滯力導致較弱結合力的聚合物的解吸和薄膜的脫水[17]，有利于形成更快、更薄、更均勻、有序且分層更多的基底膜。Cho等[18]通過優化試驗參數，精確調節聚苯乙烯（PS）與聚4-乙烯基吡啶（P4VP）的比例，控制2個相鄰的 Ag顆粒或 Ag納米晶簇的間距，將其旋涂在硅片上，去除PS-b-P4VP后，獲得了平均尺寸為25 nm，間距為8 nm的聚集納米晶簇，作為超高密集序列的 SERS活性基底，對于單分子的檢測增強因子高達1×108。

噴涂組裝：是非接觸式組裝技術，通過獨特可控的高壓噴霧裝備和噴霧工藝，將高壓空氣驅動下霧化的聚合物溶液有序、均勻地噴涂在基底表面，擴散成微觀結構和性能較好的薄膜過程。相對于其他組裝，噴涂組裝設備及操作簡單，制作周期短，成本低廉，材料利用率高，不受基底尺寸和柔韌度的影響，噴涂量的選擇范圍較寬[19]，不受噴涂量的限制。噴涂組裝制備薄膜速度較快，表觀質量較好，固化后不易脫落，涂層表面光滑，且后續層不干擾前層，已成為新型多層薄膜制備工藝中的一顆新星，有望成為實現理想量產要求的可行制備方法。Li等[20]將制備的Ag溶膠噴涂在不同種類的試紙基底上，檢測熒光分子R6G的拉曼增強信號。結果表明，噴涂組裝的Ag溶膠試紙基底，具有較高的靈敏度，可檢測10-9mol／L R6G分子信號，在不同試紙或同一試紙的不同部位的 RSD均低于15%，具有較好的重復性。

2 SERS在環境和癌癥檢測方面的應用

2.1環境污染物檢測

王曉彬等[21]通過快速溶劑前處理法提取臍橙果肉，利用SERS檢測提取物中的三唑磷農藥，發現6處拉曼特征峰得到增強，實現了農藥殘留的現場及快速檢測。Cao等[22]通過“一鍋煮”水熱合成法制備了具有雙重功能的Au-Ag-S復合納米材料，實現了塑化劑DEHP和DEHA光催化降解和表面增強拉曼散射光譜的檢測；對橘子汁中DEHP和DEHA的最低檢測限分別為10-9mol／L和 10-7mol／L，而且在短時間內可降解乙醇溶液中10-5mol／L的塑化劑。Lee等[23]利用浸漬法將Au NPs與突觸核蛋白制備的核殼復合納米材料，組裝在羥基化或烷基化修飾的載玻片上，檢測有機物四磺酸酞菁（PcTS），并在此基礎上檢測過渡金屬離子（Fe3+和 Cu2+），效果良好，展現出十分重要的應用前景。

2.2 癌癥檢測

由于癌癥早期臨床癥狀不明顯，易被患者忽視，目前臨床診斷手段存在缺陷，大多數患者確診時已到中晚期，大大降低了患者5年生存率。因此快速、精確、靈敏度和特異性高的早期癌癥診斷方法，已成為研究的熱點。當熒光分子與金屬結合，發生非輻射能量轉移，猝滅分子熒光。貴金屬納米粒子活性基底可有效猝滅生物樣品分子的背景熒光信號，最大程度地降低其他成分的干擾[24]，在腫瘤細胞和生物標記物檢測方面具有較好的應用前景。

細胞檢測：細胞是生命體的基本結構和功能單位，在腫瘤生長的過程中，細胞中生物分子的結構和數量會發生顯著的變化[25]。SERS光譜可以從分子水平上探測細胞中蛋白、核酸、脂類和糖類等生物分子的精細結構和信息，因此可作為早期癌癥的檢測手段。檢測癌癥患者血液中的循環腫瘤細胞(CTCs)對于癌癥早期診斷、化療藥物治療效果的評估和治療方案的選擇至關重要。Wu等[26]合成粒徑為17 nm的Au NPs，通過Au-S鍵吸附拉曼信號分子4-巰基苯甲酸（4-MBA），功能化修飾還原牛血清白蛋白（rBSA），通過與葉酸（FA）的—COOH和rBSA的—NH2發生反應，將靶向配體FA嫁接在Au NP-MBA-rBSA上，制得了Au NP-MBA-rBSA-FA表面增強拉曼散射復合納米粒子，用于家兔血液中癌細胞的直接檢測。當葉酸受體過表達時，癌癥患者血液中的CTCs可識別復合納米粒子表面的FA，而非癌癥細胞識別不了，在5～500 cells／mL范圍內，SERS強度與CTCs質量濃度呈線性相關（R2=0.993 5），最低檢測限（LOD）為5 cells／mL，比目前報導的數值均低。Craig等[27]通過制備凝集素功能化的Ag納米顆粒，作為分子成像劑，利用SERS光譜和多聚糖在細胞間表達的差異性，鑒別癌癥與非癌癥細胞。目前，已成功地鑒別了2種類型的前列腺癌細胞，建立了通過使用SERS檢測多聚糖的表達，實現癌癥細胞檢測的新方法。

生物標記物檢測：生物標記物包括miRNA、蛋白質、生物活性小分子等，可以從分子水平研究發病機制，準確、敏感地評價早期、低程度的損害，可作為臨床的輔助診斷手段。Ye等[28]提出了一種不對稱信號放大法，實現不同水平的多個生物標記物的同時檢測。將bio-barcode探針與雜交鏈反應（HCR）放大法結合，組裝成Au NP修飾的雙功能SERS探針，具有靶向識別、信號轉導和信號放大的功能，利用對高濃度分析物的線性信號放大和低濃度分析物的2次信號放大的原理，實現了對癌細胞中 miRNA和ATP的同時檢測。Panikkanvalappil等[29]設計了 DNA-Ag溶膠活性基底，在SERS的Hot spots區容納更多的DNA，Ag顆粒增強了DNA拉曼信號，實現對不同癌細胞和正常細胞中DNA的檢測，為癌癥檢測提供重要的參考依據。Wang等[30]設計了基于SERS的免疫分析法，將Au NP、拉曼信號分子和檢測抗體聯合組裝在修飾抗原分子的Au基底上，檢測胰腺癌（PC）患者和健康志愿者血清中的黏蛋白MUC4。結果顯示，相對于健康患者，胰腺癌患者的MUC4產生了更強烈的SERS信號響應，證明SERS的免疫分析法比傳統的酶聯免疫吸附（ELISA）測定法和放射免疫測定（RIA）法的效果都顯著，亦可用于其他癌癥的檢測。

3 展望

SERS技術在分子水平上，可實現農藥殘留物、食品添加劑、環境有機和重金屬污染物的痕量和定量檢測；也可實現 DNA、miRNA、蛋白質、循環腫瘤細胞的快速、精確檢測；在環境和食品中污染物檢測、疾病診斷等領域具有較大的發展潛力和應用價值。近年來，薄膜組裝技術也不斷發展成熟，可制備性能和強度穩定、均一的SERS活性基底，增強分析物分子的拉曼光譜信號，滿足應用需要。SERS檢測對于理想的活性基底的穩定性、均一性、重復性和適應性等要求較高，好的活性基底是實現靈敏、快速檢測的關鍵，也是研究熱點。另外，由于食品、環境、血液等成分復雜，會對分析物造成干擾，因此理想的樣品分離、純化等前處理技術也將成為研究的重點。總之，隨著技術的發展，SERS技術將在環境污染、食品安全、癌癥檢測等眾多領域中起到無可替代的作用。

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Preparation and Application of SERS Enhanced Substrate via Thin-Film Assembly Technology

Yang Dongmei1,Xu Weiping2,Xu Tingjuan2,Wu Yadong1,Jin Qinyu1,Sheng Zhujun1
(1.Anhui University of Traditional Chinese Medicin,Anhuie,Hefei,China 230012; 2.Anhui Provincial Hospital,Anhui,Hefei,China 230001)

The active substrate with uniform,stable,reproducible are the key for surface-enhanced Raman scattering(SERS)to realize quantitative detection of trace analytes.The highly ordered,uniform thickness,controllable nanofilms prepared by film assembly technology can enhance the Raman signal of analyte molecules,and can improve the specificity and sensitivity of SERS.In this paper,the SERS substrate assembly technology and its application in environmental pollutants and cancer detection were reviewed.

surface enhanced Raman scattering;enhanced substrate;thin-film assembly technology;cancer detection

R945

A

1006－4931(2015)23－0009－03

楊東梅，女，碩士研究生，研究方向為藥劑學，(電子信箱)136821986＠qq.com；徐維平，男，碩士研究生導師，研究方向為藥劑學和藥理學，本文通訊作者，（電子信箱）wpxu＠mail.ustc.edu.cn。

2015－08－13)

β安徽省科技攻關項目，項目編號：1301042117。