应用于分析细胞内环境的SERS纳米光纤探针系统研究

本项目基于纳米金属表面增强拉曼效应和熔锥光纤渐逝波激发原理，研究一种高灵敏度、高空间分辨率的纳米光纤表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering， SERS）探针样机系统，以满足当前生物细胞科学研究的需求，为其提供一种针对细胞内环境参量，可进行在线、实时、远程、高灵敏、高空间分辨率分析的科学仪器原型。主要研究内容包括：纳米熔锥光纤的理论设计，及熔锥纳米光纤探针形态控制关键技术；纳米金属增强基底的合成技术；基于原子层沉积技术（Atomic Layer Depostion，ALD）的纳米金属表面修饰机理，探索具有表面修饰的纳米金属增强基底的SERS理论模型以及核心制备技术；并基于该SERS探针的原型样机，对人乳腺癌细胞MCF-7内环境的SERS信号进行检测。本研究成果将成为生化分析技术的新型检测仪器，为我国生化领域原始创新工作的开展构建一个高端技术平台。

拉曼光谱是基于分子振动的光谱，能在分子和细胞水平上诊断疾病，是实现生化检测最重要的技术之一。诸多研究证明，癌细胞与正常细胞相比，其拉曼光谱在特征谱带上会发生明显的变化，结合统计分析方法，能够很好地区分正常组织和恶性肿瘤组织，这对于癌症的早期诊断及细胞生物学研究均具有重要的意义。然而，拉曼信号本身极其微弱。研究各种拉曼散射增强技术，将拉曼光谱应用于实时、原位、在线、在体检测，一直是研究人员所追求的目标，光纤传感技术为实现这一目标提供了重要途径。将光纤传感与拉曼光谱探测相结合，已成为当前的研究热点，获得纳米级小尺寸、高拉曼增强因子的SERS光纤探针，更是为众多研究机构重点关注和探索的瓶颈问题。.经过三年的理论及实验研究，目前已圆满完成了任务要求，取得主要成果包括：.1）在熔锥纳米光纤的光传输特性、纳米颗粒修饰的纳米光纤探针实现拉曼增强的机理方面进行了深入研究，建立了纳米光纤探针SERS理论模型，分析了电磁场增强效应与探针参数的关系。.2）掌握了纳米熔锥光纤以及SERS基底的制备、固化及基于原子层沉积技术的表面修饰工艺，制备了金颗粒、银颗粒、核壳结构颗粒等纳米材料，制得的纳米级熔锥光纤探针尖端尺寸达到40.7nm。.3）实现了具有纳米尺度的SERS熔锥光纤探针仪器样机，达到了项目既定目标，经华东国家计量测试中心检测，拉曼散射增强因子大于10(10)，达到了项目任务书规定的技术考核指标要求。.4）将SERS纳米光纤探针系统应用于包括人乳腺癌细胞MFC-7、肝癌细胞SMMC 7721、食管癌细胞Eca-109、肺癌细胞H1299等多种生物样品的拉曼光谱研究，为后续研究奠定了良好的基础。.本项目实施过程中，项目组在Optical Materials，IEEE Photonics Technology Letters等国际期刊和本领域重要的国际会议（OFS、APOC、ACP等）上发表（含录用）论文27篇，其中已有5篇被SCI检索，12篇被EI检索。申请发明专利9项，授权国家发明专利8项。培养博士、硕士研究生10名，其中5人已获得硕士学位毕业。项目组依托“特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室培育基地”，在项目执行期间建设了锥形光纤制备平台、增强基底制备平台、拉曼检测平台及细胞培养平台。并通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，与国内外同行进行深入学术交流合作。