近极限尺寸纳米结构的表面增强拉曼效应及其对红细胞携放氧能力的高通量检测

The surface-enhanced Raman scattering (SERS) has great potential for the detection of single molecules and biological cells. The detection utilizing the SERS method based on near-fabrication-limit nanostructures is at the cutting edge of the biological detection. The proposal aims to develop a SERS dynamic detection system at the single-cell level with both high enhancement factor (EF) and selectivity by using the near-fabrication-limit nanostructured substrate prepared through micro-/nanofabrication. The studies will focus on the following aspects: the fabrication of near-fabrication-limit nanostructures with 5 nanometer features, the development of theoretical model to describe the structure effect on plasmon resonance and SERS EF, and the SERS probing into the degree of oxidation and de-oxidation for red blood cells. The purpose of this proposal points to three levels: At the theoretical level, it will deep understand the interaction of electron beam and plasma with substrate in confined space, and constitutive relation between SERS EF and nanostructures; At the technical level, the key parameters to fabricate the near-fabrication-limit nanostructures will be clarified; At the applied level, the high-throughput and high sensitive SERS probing into the oxygen carrying/releasing capacity of red blood cells will be realized. And this application will prospectively extend to SERS detection of other cells under their pathological/physiological status.

表面增强拉曼散射在单分子和单细胞检测领域显示出巨大潜力。近极限尺度纳米结构SERS检测是本领域的前沿研究。本项目拟将纳米加工制备的近极限尺寸结构应用于SERS单细胞检测中，建立具有高信号增强和高选择性的SERS活体单个细胞水平的动态检测系统，并针对红细胞血红蛋白氧合状态进行SERS信号的获取与分析，实现红细胞携放氧能力的高通量检测。具体内容如下：建立5纳米左右近极限尺寸纳米结构的加工方法；提出纳米结构的尺寸、形貌等因素影响等离子体共振和拉曼增强效果的理论模型；利用此结构对红细胞血红蛋白的氧合/脱氧状态进行SERS检测。本项目实施在理论上将进一步认清限域空间电子束、等离子体的特殊行为及其与基体的相互作用规律以及拉曼增强效应与近极限尺寸结构的本构关系；在技术上将明确近极限尺寸结构纳米加工的关键控制参数；在应用上将实现红细胞携放氧能力的高通量检测，并有望拓展到到其它细胞及其病生理状态的在位检测。

表面增强拉曼散射在单分子和单细胞检测领域显示出巨大潜力。近极限尺度纳米结构SERS检测是本领域的前沿研究。. 本项目建立了关键尺寸为5纳米左右的近极限尺寸纳米结构和器件的加工方法。突破设备标称分辨率，制备了关键尺寸约为5.8 nm的亚毫米面积近极限尺寸三维纳米结构；在大面积亚十纳米硅结构的加工方面也取得了较大突破，成功制备出宽度为8nm，宽深比达40：1的亚十纳米硅结构。. 进一步建立了高灵敏度SERS敏感材料的尺寸和结构定量设计普适方法。在近极限尺寸纳米结构和器件加工方法建立的基础上，制备了三角形、四边形和六边形等具有不同对称性、不同高度以及不同金膜/氧化硅的三维周期纳米结构，将其应用于产生SERS效应的各种复杂耦合效应如LSPR以及SPP等与结构对称性、极化方向以及结构尺寸、高度等之间关系的定量化研究。建立相应的模型用以理论计算和数学分析得到各种LSPR、SPP效应以及沿高度方向的驻波效应与LSPR之间的耦合效应（本征电磁场强度）与结构尺寸、对称性、Au粗糙度及偏振之间的定量关系，并与相应实验结果比较，高度吻合。因此，说明了这种定量化研究方法正确、可靠，并且具有普适性。我们利用上述普适设计方法，进一步设计了Au/Ag复合材料作为产生SPP效应的三维结构SERS探针，并经过优化后成功获得了性能更加优异的SERS探针。. 完成拉曼光谱仪活体单细胞SERS检测系统的搭建，结果表明近极限尺寸纳米结构做为SERS衬底得到了丰富的单细胞指纹增强信息。这些SERS检测信息对红细胞氧合状态以及携放氧能力提供了丰富的信息。另外，此测量系统的搭建使我们对衬底材料和表面化学修饰等因素影响单细胞SERS检测选择性的规律，以及SERS单细胞检测的作用机制有了更深入的理解，并有望拓展到到其它细胞及其病生理状态的在位检测。