基于表面等离子体的相移干涉成像-SERS 显微光谱仪研究

This project is an interdiscipline subject that combines the advantages of both the laser phase-shift interferometry imaging technique on its high stability, high sensitivity, and high resolution, and the nature of the surface enhanced Raman scattering (SERS) technology on acquiring the molecular information, aiming to the particularity of biomolecule interaction process. Based on the plasmon-coupled enhancement effect, the project combines the laser phase-shift interferometry imaging and SERS to develop an instrument that can simultaneously, real-time and in-situ obtain three-dimensional phase-change images and SERS spectra under the evanescent field during the interaction process of biological macromolecules on the surface of the metal film. The device will be used to obtain the multi-dimensional information of the biomolecular interaction process, such as protein and silver nanoparticles binding process, antibody and antigen binding process and drugs and proteins molecular interaction process, With the help of the multi-dimensional information obtained, we will investigate the assembly of biological macromolecules, the relationship between the change transfer of molecular structures and surface plasmons, and explore a highly selective and sensitivity, multi-parameter analytical method.

本项目是通过跨学科的交叉与联合，针对生物分子间相互作用过程研究的特殊性，结合激光相移干涉成像技术的高稳定性、高灵敏度、高分辨率的优势以及表面增强拉曼散射（SERS）技术能够分析生物分子结构变化的优势，以等离子体增强效应为基础，将激光相移干涉成像技术与SERS技术有机结合，构建一套能够同步、实时、原位的获取生物大分子间相互作用的位相变化三维图像以及暗背景下SERS光谱的联合实验装置。利用该设备对生物分子相互作用过程进行检测，如蛋白质与银纳米粒子结合过程，抗体与抗原结合过程以及蛋白质与药物及蛋白质分子相互作用过程，利用获取的多维度信息，从新的角度研究生物大分子间相互作用过程，以及生物大分子间相互作用过程中表面等离子体与分子结构变化之间的相关性，探索高选择性、高灵敏度、多参数的检测分析方法。

本项目通过跨学科的交叉与联合，结合激光相移干涉成像技术的高稳定性、高灵敏度、高分辨率的优势以及表面增强拉曼散射（SERS）技术能够分析生物分子结构变化的优势，以等离子体增强效应为基础，将激光相移干涉成像技术与SERS技术有机结合，构建了一套能够同步、实时、原位的获取被测量物质相互作用过程中位相变化三维图像以及暗背景下SERS光谱的基于表面等离子体的相移干涉成像-SERS显微光谱仪。在该相移干涉成像-SERS显微光谱仪上进行了相关实验，同时测量了拉曼探针分子吸附在银膜前后位相变化图像以及相应的SERS光谱，并对两者的相关性进行了研究，得到了预期的研究结果。相移干涉成像部分的长期相位重复性达到0.13度，位相测量灵敏度为9.25×10^-6 RIU。此外在该项目的资助下，构建了一种新金属-绝缘体-金属的三层结构，用于增强SERS信号强度以及位相检测的灵敏度。将其用于相移干涉成像-SERS显微光谱仪，并进行了SERS增强因子的检测。通过对比增强的SERS信号和正常的拉曼信号以及SERS测量和拉曼测量时激光光斑区域内吸附的拉曼探针的分子数，得到SERS增强因子为6.2×10^7。. 该项目的完成构建了一套全新的有自主知识产权的相移干涉成像-SERS显微光谱仪，能够应用于生物大分子相互作用体系中，对生物大分子相互作用体系相互作用过程中的位相变化以及分子结构变化进行同时测量，进行高灵敏度，多维度，多参数的分析生物大分子相互作用过程，对促进生物学的发展有一定的促进作用。