表面增强拉曼光谱的样品前处理方法研究进展.pdf
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1、第5期第45卷第5期2023年10月文章编号:1674-2869(2023)05-0473-09武汉工程大学学报Journal of Wuhan Institute of TechnologyVol.45 No.5Oct.2023收稿日期:2021-03-25基金项目:国家自然科学基金(22106147);湖北省自然科学基金(2021CFB131);武汉市知识创新专项基金(2022020801020218)作者简介:欧阳磊,博士,副教授。E-mail:引文格式:欧阳磊,朱丽华,帅琴.适用于表面增强拉曼光谱的样品前处理方法研究进展 J.武汉工程大学学报,2023,45(5):473-481.表面
2、增强拉曼光谱的样品前处理方法研究进展欧阳磊1,朱丽华2,帅琴11.中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室,材料与化学学院,湖北 武汉430074;2.华中科技大学化学与化工学院,湖北 武汉 430074摘要:表面增强拉曼光谱(SERS)作为新型痕量分析技术,具有选择性好、灵敏度高、检测简便快捷的特点,在化学分析、食药快检、生物医学检测成像等领域得到了广泛的应用。面向实际应用环境的 SERS 技术包含有效的 SERS 增强基底和配套的前处理方法两方面内容。对近年来 SERS 领域相关配套前处理方法的进展进行了整理和归纳,根据其基本原理,分为基于疏水浓缩效应的前处理方法、基于化学识别
3、作用的前处理方法、基于生物识别作用的前处理方法、基于选择性萃取的前处理方法和基于色谱分离的前处理方法等几类。结合现有 SERS技术的应用难题,对今后可能的基于多目标物同时识别和基于机器学习的光谱分析用于复杂成分分析、构建与 SERS 联用的自动化前处理装置等研究重点进行了展望,可为 SERS 技术的应用实践提供指导。关键词:表面增强拉曼光谱;前处理方法;选择性识别;萃取分离;色谱分离中图分类号:O657.3文献标识码:ADOI:10.19843/ki.CN42-1779/TQ.202103029Progress in Pretreatment Methods Suitable forSurfa
4、ce-Enhanced Raman SpectroscopyOUYANG Lei1,ZHU Lihua2,SHUAI Qin11.State key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology,Faculty of Materials Science and Chemistry,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,Huazhong University of Science an
5、d Technology,Wuhan 430074,ChinaAbstract:Surface-enhanced Raman spectroscopy(SERS)is a promising trace analysis method with goodselectivity,high sensitivity,fast and facile detection.It shows great potential in the fields of chemicaldetection,on-site inspection of food and drug and biomedical detecti
6、on.But the real application of thistechnique requires a suitable sample pretreatment method and functional SERS sensors to selectively capturethe signals from the target molecules in the complex matrix.This review systematically summarizes theadvances in SERS pretreatment methods.The reported pretre
7、atment methods are classified into types based ontheir basic mechanisms such as hydrophobic concentration effect,chemical recognition,biologicalrecognition,selective extraction and chromatographic strategies.Based on the existing challenges of realapplication,the outlook of potential research focuse
8、s such as complex components analysis using multipletargets recognition and artificial intelligence-based spectroscopic data processing method,SERS compatibleautomation device construction in the future is concluded,providing guidance for the future development ofSERS technology.Keywords:surface-enh
9、anced Raman spectroscopy;pretreatment method;selective recognition;extractionseparation;chromatographic separation武汉工程大学学报第45卷表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Ramanspectroscopy,SERS)是一种基于拉曼光谱的新型光谱技术。由于其具有的高灵敏度、包含丰富的化学信息以及相对简单的前处理及检测过程得到了广泛的关注。SERS技术已在化学分析、食药快检、生物医学检测、环境监测等诸多领域展示出了重要的应用前景1。伴随着纳米增强制备技术的飞速发展,
10、SERS 的检测灵敏度得到了极大的提高,甚至可实现单分子水平的SERS检测。基于 SERS 技术的分析方法的开发主要包含增强基底制备及配套前处理方法开发两部分构成。历经几十年的快速发展,SERS基底的设计和构建取得了长足的发展,然而,由于 SERS技术在进行实际应用时,面对的往往是较为复杂的环境和基质,为了避免复杂基质对目标物检测的干扰、同时保证测得结果的准确性,必须针对实际应用情况配套开发针对性的前处理方法。在该领域尽管目前已有不少文献报道,但目前较为全面归纳这类前处理方法的文献较少,为了更好的总结现有的这些前处理技术,本文整理了近几年SERS前处理领域的研究进展,根据其基本原理对其进行了划
11、分和总结,并对今后值得关注的重点方向进行了展望。1SERS基本原理1.1拉曼光谱当一束光照射至物体表面时,光子可能被吸收、折射、反射,也有可能被散射,少部分光子发生散射后能量会发生变化,这类散射被称为非弹性散射,也称拉曼散射。拉曼散射最早由物理学家Adolf Smekal 从理论上进行了预测,1928 年由印度科学家Chandrasekhahra Raman在实验上进行证实。拉曼散射中入射光子与散射光子的频率差与入射光子的频率无关,而取决于与入射光子发生作用的物质的分子能级结构,这是SERS用于物质定性及定量分析的基础。作为一种分子振转动指纹谱,相对红外光谱,SERS具有更窄的特征峰,由于水分
12、子拉曼活性较低,因此更适于溶液样品的应用。但拉曼散射强度较弱,直接检测时灵敏度较低,导致其局限于材料表征、定性判别等领域,在低浓度物质检测领域的应用较少。1.2SERSSERS 是指当待测物质吸附至某些具有表面等离子体效应或者可与分子之间发生电荷转移作用的材料表面附近时,其拉曼散射强度被增强的现象。该效应由Fleishmann于1974年在测定吸附于粗糙化的电极表面的吡啶分子时发现2。1977年Jeanmaire等3通过系统的实验和计算证明了上述现象的产生与粗糙银电极表面的电磁场有关。由于 SERS光谱保留了 SERS的指纹谱图特性,同时大大提高了检测灵敏度,因此拓宽了SERS的应用范围,为分
13、子检测、相互作用研究、生物检测与成像、疾病诊断等诸多领域提供了可实现分子水平监测的新的有效手段。目前广泛接受的 SERS 增强机理主要包含物理增强和化学增强两类。物理增强主要反映了分子与增强基底的表面电磁场之间的相互作用。贵金属等纳米粒子表面存在能够自由移动的电子,当这些电子受到光子照射被激发时会在粒子表面附近形成表面等离子体。当入射光子与等离子体共振频率一致时,可产生局域表面等离子体共振,此时局域电场强度将极大的被增强,产生“热点”。而当分子正好位于热点中时,其拉曼信号可以被显著增强,增强倍数与电场强度的四次方成正比。金、银和铜等金属材料是目前用作SERS基底最常见的材料,增强强度可达104
14、108。化学增强主要来源于分子与基底材料之间发生相互作用,例如形成化学键、络合物或者发生电荷转移等。作用后分子的电子密度发生改变,影响其分子极化率,从而导致拉曼信号被增强。尽管上述增强效应相对物理增强对 SERS 强度的贡献较小,但是半导体等无表面等离子体共振的材料等作为增强基底时,化学增强往往其主导作 用,其对分子 SERS 信号的增强效应也可达102105 4。2可与SERS联用的前处理方法SERS是分子振转动光谱,原则上不同的分子具有不同的拉曼指纹谱。但在实际检测时,待测分子所处的环境往往非常复杂,这些共存分子不仅导致光谱复杂,而且这些分子还可能影响目标分子与SERS基底之间的相互作用,
15、降低检测灵敏度甚至导致 SERS 基底失效。为了解决基质干扰的问题,可将分析化学中常见的前处理技术结合SERS 技术的特点进行改进和联用。针对不同的样品基质和应用环境,不同的前处理方法可灵活进行选择,本文将常见的、可用于 SERS前处理的方法分为基于疏水浓缩效应的、基于化学识别的、基于生物识别的、基于选择性萃取的和基于色谱分离的前处理方法等几类。474第5期2.1基于疏水浓缩效应的前处理对于以贵金属材料为基底的SERS体系,通常电磁增强效应起主导作用。为了产生更好的增强效果,一方面需要通过构建含有更多“热点”的基底,另一方面需要将目标分析物采用物理、化学甚至生物的方式进行操控,使之进入“热点”
16、中,以便对其拉曼信号增强放大。然而,如何把待检测分子输送到这些“热点”是一大难题。由于疏水材料对液体具有浓缩效应,对于置于其表面的、含有贵金属粒子和目标物的液滴,在蒸发过程中可自由收缩,最后贵金属纳米颗粒和溶液中的待检测分子会浓缩成微米尺度大小的团聚体,该过程中不仅可实现目标物的局部浓缩,而且可将待检测分子运输到纳米粒子团聚形成的“热点”中。基于该策略的SERS检测方法近年来得到了进一步发展。例如 Kao 等5基于超疏水的多面体纳米银芯片,实现了尿液中典型健康标志物(葡萄糖醛酸和四氢可的松)的灵敏检测,增强因子可达1012。Zhang等6将含有轻质微球的液滴在疏水滑移衬底表面进行蒸发,实现了微
17、液滴在单颗粒表面及颗粒-颗粒颈部的高效浓缩干燥,可实现待测分子的高效浓缩富集(104富集因子),获得了单分子检测水平的 SERS 检测灵敏度。尽管上述方法对目标物的浓缩展现了良好的效果,但该过程中主要基于液体的蒸发收缩效应,对目标物缺乏选择性,当共存基质复杂时,干扰分子也会被浓缩,因此为了实现复杂基质中目标物的选择性识别,基于化学识别作用或生物识别作用的前处理方法也得到了广泛的关注。2.2基于化学识别作用的前处理由于SERS效应是一种短程效应,现有研究结果表明有效距离通常在 10 nm 之内。为了将待测分子选择性的吸附到SERS基底的有效距离之内,常见的策略是对SERS基底表面进行功能化,选择
18、性地从复杂的基质中吸附和富集待测物。针对带电荷的待测物,静电吸附是一种最简单的选择性识别方法。通过制备方法的调控或者修饰使基底表面待上特定的电荷,利用静电吸附作用可吸附带相反电荷的目标物。例如 Alvarez-Puebla等7利用不同的氨基酸,作为还原剂制备了Zeta电位在-60+30 mV之间的纳米银,可在不同pH下实现不同带电性质目标分子如2-萘乙二醇和2-萘甲酸的测定。尽管静电吸附相对简单,但其选择性也较差,容易受到基质中其他带电物质的干扰。化学识别作用相对静电吸附具有更好的选择性,利用修饰分子与待测物之间选择性的化学识别作用,例如疏水作用、-作用等可实现待测物的富集。例如,基于硫辛酸与
19、多环芳烃的化学亲和作用可以实现荧蒽的高效富集和检测8;基于3-巯基-2-丁酮与硝基化合物形成Janowsky化合物可实现多种硝基炸药的选择性检测9。近期,Leong等10基于多种修饰分子与多种目标物的分子相互作用导致的特征性拉曼信号变化,结合机器识别算法,实现了多种目标分析物的高灵敏度、高选择性识别。主客体作用是一种特殊的化学识别作用,主要利用具有疏水性空腔的特殊分子例如环糊精、葫芦脲等选择性地吸附疏水性及分子大小合适的客体分子,选择性较高,同时通过调控空腔大小和结构,可实现不同客体分子的识别 如图 1(a)所示11。例如笔者利用-环糊精作为修饰分子,利用主客体识别作用,成功地实现了环境水体中
20、多种磺胺类抗生素的测定12。Taylor等13利用葫芦脲作为修饰分子,将纳米金组装为二聚体和链状多聚体,其疏水腔通过主客体识别作用吸附目标分子,可使分子精准的进入增强热点中,产生很好的SERS增强效果。近年来,含有规整孔结构的金属骨架化合物由于其对特殊分子独特的选择性也得到了广泛关注,同样也可用于选择性检测。例如ZIF-8表面吸附H2S会导致其Au-Br拉曼峰强度变化,可用于 H2S 的间接检测14。除此以外,分子印迹技术也是一种具有良好选择性的分子识别技术,其主要采用待测分子或者结构类似的分子作为模板,经高分子交联后洗脱模板,利用洗脱后的空腔选择性的吸附目标分子 如图 1(b)所示15。As
21、hley 等16利用带有分子印迹高分子膜修饰的磁性粒子对复杂基质中的目标物进行选择性富集,对猪血浆中痕量氯唑西林的检出限可低至 7.810-12mol/L。将分子印迹技术与其他富集技术如电富集联合,还可进一步提高对带电目标物的选择性富集和检测能力。例如 Yang等17将分子印迹膜修饰的纳米金和 MoS2修饰的丝网印刷电极结合,利用电动力学富集和分子印迹富集的双重富集作用,实现了带电的邻苯二甲酸酯类增塑剂如邻苯二甲酸二甲酯的痕量选择性检测。2.3基于生物识别作用的前处理生物体系中选择性识别作用诸如 DNA 碱基互补配对 图1(c)18、免疫识别 图1(d)19等往往具有非常高的选择性和抗干扰能力
22、,这类原理欧阳磊,等:表面增强拉曼光谱的样品前处理方法研究进展475武汉工程大学学报第45卷已被广泛的用于临床诊断等领域,将这类识别作用与SERS技术结合,可提高对目标物的选择性测定能力。例如利用抗体-抗原、生物素-亲和素的免疫识别作用,开发基于SERS技术的免疫检测试剂盒,可实现多种生物标志物的检测,例如癌细胞、癌症因子、致病菌等。由于这类生物分子本征SERS 活性较弱,SERS 免疫检测往往利用带有拉曼标记的结构通过免疫识别与待测物形成夹心结构,用以标记待测物分子,从而实现待测物的间接定量。利用 DNA 互补碱基配对这一高选择性的作用机制,可实现DNA的灵敏检测。2002年,Cao等20首
23、次报道了根据碱基互补配对原理,利用待测 DNA 与固定基板及带有拉曼探针分子和经设计的 DNA 链的拉曼增强粒子选择性的形成夹心结构,可实现目标DNA或者RNA的灵敏测定。更重要的是,通过调整拉曼探针分子和修饰的 DNA序列,可同时实现多目标物的同时检测,由于拉曼峰相对于荧光谱峰极窄(1 nm),因此同一光谱窗口可以实现更多目标物的同时检测。根据这一原理,SERS技术已实现了复杂生物基质中各种痕量致病菌 DNA 以及疾病标志物 DNA 的灵敏检测。将免疫识别与微流控芯片结合,还可实现待测物选择性识别、富集以及检测的自动化,对于临床疾病诊断具有重要的意义21。核酸适配体是一小段经体外筛选得到的寡
24、核苷酸序列或者短的多肽,能与相应的配体进行高亲和力和强特异性的结合,因此可用作特殊配体的选择性识别。适配体适配对象相当广泛,不仅包括了生物大分子(如溶菌酶、致病菌)、化学小分子(如多氯联苯),甚至某些无机离子(如 Hg2+)都可筛选到相应的适配体。Gao 等22利用金黄色葡萄球菌与其适配体的识别作用,成功地实现了金黄色葡萄球菌的 SERS 检测,检出限可低至1.5 cfu/mL。2.4基于选择性萃取的前处理萃取是一种常见的从复杂基质中提取目标物的方法,除了最常见的液液萃取、固相萃取、固相微萃取等技术以外,表面萃取、膜萃取技术均可与SERS技术进行联用23。陈丹等24使用分散液液微萃取处理烟叶样
25、品,结合固定于双面胶带表面的纳米金实现了烟叶中仲丁灵的检测。采用硫酸铵-乙醇双水相萃取体系,我们成功地实现了血液和组织中药物肝标志物马兜铃酸及其代谢产物的高效萃取和 SERS 检测25。Markina 等26将固相萃取剂 CaCO3与纳米金进行复合,将待测物从基质中分离后,酸洗去除萃取剂,即可实现待测物磺胺二甲氧嘧啶的解吸和 SERS 测定。将表面修饰有分子印迹膜的磁性粒子填充至固相萃取小柱中,Feng等27实现了果汁中痕量噻苯达唑的萃取和灵敏检测。相比于固相萃取,固相微萃取技术集采样、萃取、浓缩、检测于一体,大大加快了分析检测的速度。将该技术与SERS技术联用,能更充分地利用SERS检测快速
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