用于细胞内生物分子检测和快速拉曼成像的比率型拉曼探针的研究

Surface enhanced Raman scattering (SERS) has been widely applied in bioanalysis field due to its numerous advantages including high sensitivity, high resolution, narrow full width at half-maximum of the Raman peak etc. However, most of the SERS probes count on the aggregation of particles to detect the targets, which always cause low reproducibility and poor biocompatibility leading to the difficulties for biomolecular detection and rapid Raman imaging in living cells. SERS internal standard substrate is formulated by taking the strong Raman scattering graphite as the internal standard, and the noble metal sandwich nanostructure as the SERS substrate, which possesses extraordinary SERS effect, uniform SERS hot spots, admirable biocompatibility and stability, and the superior ability of protecting Raman reporters from physiological environment interferences. Integrating this substrate with the specific recognized and stimuli-responsive Raman reporters, we can fabricate a series of highly sensitive, reproducible, specific and biocompatible ratiometric SERS probes. Such strategy takes the ratio of the two peaks from internal standard and Raman reporter as the signal, which would achieve intracellular biomolecules detection. Meanwhile, the highly enhanced SERS signals of graphite could be used for intracellular rapid Raman imaging. This project will offer valuable theoretic foundation and technique support for the study of intracellular biomolecules pathophysiological function and the early diagnosis of disease.

表面增强拉曼光谱（SERS）技术具有灵敏度高、分辨率高且发射谱带窄等优点，已广泛应用于生物分析领域。然而，大部分SERS探针依赖于颗粒聚集实现检测目的，具有重复性和生物相容性差的缺点，难以实现细胞内生物分子检测和快速拉曼成像。本项目拟将具有强拉曼散射性能的石墨作为内标，结合贵金属三明治结构所具有的SERS增强效果好、SERS热点均匀，并能保护拉曼分子免受生理环境干扰等优点，制备SERS内标基底，并将其与具有特异识别和受激响应性能的拉曼报告分子结合，从而构建一系列灵敏度高、重复性高、特异性强和生物相容性好的比率型SERS探针。本策略利用内标分子和报告分子信号峰强度的比值消除环境因素的干扰，实现细胞内生物分子的检测；同时利用石墨高度增强的SERS信号，实现细胞内快速拉曼成像。本项目的完成将为细胞内生物分子的生理病理功能研究以及疾病的早期诊断提供有价值的理论依据和技术支持。

表面增强拉曼光谱（SERS）技术具有灵敏度高、分辨率高且发射谱带窄等优点，已广泛应用于生物分析领域。然而，大部分SERS探针依赖于颗粒聚集实现检测目的，具有重复性和生物相容性差的缺点，难以实现细胞内生物分子检测和快速拉曼成像。本研究工作将具有强拉曼散射性能的石墨作为内标，结合贵金属纳米材料所具有的SERS增强效果好、SERS热点均匀等优点，制备了SERS内标基底，实现了目标物的比率型定量检测。此外本研究工作结合近红外荧光探针、二氧化锰纳米花等一系列具有特定功能的纳米材料，改善了生物识别特性与信号放大功能，构建了多种光学纳米探针体系，实现了生物分子的高灵敏检测和细胞成像分析。本项目的完成将为生物分子的生理病理功能研究以及疾病的早期诊断提供有价值的理论依据和技术支持。（1）内标型SERS体系。针对拉曼分析中存在的重复性差、适用溶剂范围窄、稳定性差等问题，制备了双亲性的AgCu@石墨SERS内标探针，有效提高了其在水相和有机相中的分散性，此外，以石墨作为内标拉曼分子，成功实现了有机相和水相中的SERS定量检测。（2）细胞内检测体系。利用近红外石墨烯量子点的深组织穿透度、低荧光背景等优点，结合二维纳米材料（二氧化锰和羟基氧化钴），构建了生物分子激活的近红外荧光响应探针，实现了活细胞中内源抗坏血酸（AA）和谷胱甘肽（GSH）的检测。（3）血液检测体系。该方法以MnO2纳米花作为颜色指示剂和纳米氧化剂，无需加入任何天然酶或者指示剂，首次利用MnO2和葡萄糖的直接氧化还原反应，实现了对葡萄糖的高灵敏检测。（4）食品药物检测体系。采用了气相沉积法合成了核壳结构的金石墨纳米粒子，通过电沉积的方法将其与导电聚合物成功复合并引入到电极上，实现了对药物扑热息痛的高灵敏检测。