DNA调控可逆SERS热点特异性快速检测芳香硝基爆炸物的研究

In the face of terrorist threat and challenge of environmental pollution,development of rapid detection method of trace explosives is widely concerned.Ultrasensitive and fingerprint characteristics of surface enhanced Raman scattering (SERS) technique have limitations in the detection of explosive: the"hot spots" are random during testing process; the utilization rate of substrate is extremely low because of explosive molecules is difficult to absorb on the precious metal surface. This project is aimed at detecting explosives specifically and rapidly and the description of system the mechanical toughness and optical properties of nanostructures and in-depth researching the distribution and reversible conversion process of hot spots to enhance the contribution rate of detection by building reversible SERS hot spots nanostructures. To improve the utilization of substrates, explore the mechanism of sensitive and selective detection of trace explosives, controllably assembling of nanostructure by taking advantage of the specificity recognition relatively rigid and flexible characteristics of DNA molecular, was marked by the high activity of Raman label molecules. The work will reveal the new principle of the construction of reversible hot spots in DNA mediated active nanostructures and realize the fast detection of aromatic nitrocompound explosive. The project will establish new method for the construction of reversible hot spots and practical detection of explosive.

面对恐怖威胁与环境污染的严峻挑战，发展痕量爆炸物的快速检测方法是人们普遍关注的问题。具有超灵敏、指纹特征的表面增强拉曼散射(SERS)技术在爆炸物检测方面仍存在局限：“热点” 分布不均，检测过程随机性很大；爆炸物分子不易吸附到贵金属表面，基底使用率极低。本项目拟以爆炸物的特异性快速检测为目标，构建可逆的SERS热点纳米结构，系统的阐述该纳米结构的机械韧性与光学性质，深入研究热点的分布规律与可逆变化过程，增强热点对检测的贡献率。利用DNA分子的特异性识别、相对刚性和机械柔性的特点，对纳米结构进行可控组装，通过高活性拉曼标签分子的标记，提高基底使用效率，探索其对痕量爆炸物灵敏、选择性检测的机制。揭示DNA介导的活性纳米结构在可逆热点构筑方面的新原理，实现对芳香硝基爆炸物的快速检测。本项目预期将为可逆SERS热点的构建及爆炸物的实际应用检测建立新的方法。

在本项目支持下，研究团队构建了间隙可调控、SERS“热点”分布均匀的纳米结构，提出了SERS方法快速、特异性识别芳香硝基爆炸物检测策略，构筑了三维表面增强拉曼散射“热点”以提高基底使用效率。通过设计特定DNA碱基序列，研究了DNA介导调控链式反应对组装行为的影响。实现了在纳米颗粒表面高活性拉曼标签分子的标记，进行了胺类分子、DNA碱基等光学探针的选择性修饰与改性。构建了金纳米颗粒聚集体、金复合纳米结构，并进行了形貌特征、局域等离子体共振光学性质评价和SERS活性研究。阐明了探针分子对芳香硝基爆炸物识别、捕获的机理，实现了对痕量爆炸物三硝基甲苯的选择性检测与高灵敏分析。构筑了具有协同共振效应的高亲和生物探针，以提高贵金属表面的分子吸附能力。建立了表面增强共振拉曼光谱配体拉曼标签分子定量检测体系，揭示了影响纳米结构激发特性与质子转移的关键因素。发展了高稳定的SERS生物分子检测新方法，建立了溶剂诱导纳米材料有序可控组装基底体系，拓展了SERS联用技术的实际检测应用范围。我们提出的稳定型纳米结构矩阵新理论在“热点”分布规律与可逆变化过程方面具有重要的研究意义，可以解决SERS检测过程中“热点”贡献率低的问题；形成的可调控纳米结构间隙构筑新方法在SERS痕量检测领域具有广阔的应用价值，可以克服低拉曼活性目标分子难以检测的劣势；建立的表面功能化标记体系在SERS特异性识别方面具有探索价值，能够突破目标物不易到达贵金属结构表面的瓶颈。项目负责人在Chemical Communications（1篇）、Nucleic Acids Research（1 篇）、Analyst（2 篇）、Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy（1 篇）、Analytical and Bioanalytical Chemistry（1 篇）共发表科研论文6 篇。其中，SCI 1区论文2篇，2区4篇，2篇论文影响因子 > 5，4篇论文影响因子 > 4。申请国家发明专利 2 项、实用新型1项、外观1项，其中已授权专利2项。培养研究生 5 名。相关研究成果获得全国首届双十计划攻关创新大赛银奖（2019）。