用于定量分析的石墨烯/金属纳米阵列增强拉曼基底的研究

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) detection technology provides the fingerprint information of the analytes, which is a kind of sensitive and non-destructive detection method and shows broad application prospects in the fields, such as food safety, medicine detection and biological assays. The key to the SERS technology is SERS substrates. The traditional metal substrates can provide the high enhancement activity, but also have many problems, such as signal fluctuation and weak reproducibility. Quantitative determination is still difficult for SERS applications. In this project, we designed a kind of hybrid graphene/metal nanoarray SERS substrates for quantitative analysis. We plan to fabricate a kind of uniform metal nanoarray using template method and fabricate a complete graphene on its surface by chemical vapor deposition to improve the repeatability by isolating the interrupt signal induced by metal and improving the absorption and distribution uniformity of the target molecules. We will develop a convenient for quantitative analysis by using graphene as internal standard. The finite element method and density functional method will be used for analyzing the enhancement mechanism. Based on the above method, we will try to build a theoretical and methodology system for fabricate the graphene/metal nanoarray hybrid SERS substrate and develop a convenient quantitative analyze method to lay the foundation for SERS quantitative analysis.

表面增强拉曼散射（SERS）技术提供了待测物确定的指纹信息，是一种快速、灵敏、无损的检测方法，在食品安全、医药检测以及生物分析等领域具有广泛应用前景。SERS光谱技术的核心在于SERS基底。传统金属等离子体共振增强基底具有较高增强活性，但存在信号不稳定、重复性低等问题，定量检测仍是SERS应用中的一个难点。为此，本项目拟采用模板法制备增强热点均一的金属纳米阵列，采用化学气相沉积法在其表面制作均匀完整石墨烯层，隔离金属诱发的干扰信号，并提高待测分子吸附率和分布均匀性，以降低测量信号偏差；以石墨烯特征峰为内标，建立简便快捷的定量分析方法；采用有限元法和密度泛函理论分析复合基底的增强机理。通过以上策略，构建设计石墨烯/金属纳米阵列复合型SERS基底的理论方法体系，发展一种基于SERS光谱技术的快速定量分析方法，为该技术在定量分析中的应用奠定基础。

拉曼光谱反映了被测分子振动、转动等特征指纹信息，提供了一种准确鉴定分子结构的方法。但是，拉曼光谱是一种极弱信号，限制了拉曼光谱的应用和发展。表面增强拉曼利用Au、Ag等纳米金属可使被测物光谱信号放大数百万倍，甚至可达到单分子检测水平。然而，传统纳米金属增强基底表面理化性质差异及催化分子发生副反应等因素严重影响了拉曼信号的稳定性及可靠性。本项目围绕石墨烯\金属纳米阵列复合拉曼增强基底开展了广泛的研究，提出了复合基底用于表面增强拉曼光谱（SERS）的方法，显著提高了SERS光谱灵敏度、稳定性、定量水平等性能，对多类分子探测其增强因子均>106，信号相对标准偏差<5%，在疾病标记物检测方面显现了重要的潜在应用价值。此外，在本项目支持下首次以石墨烯单晶为导电沟道研制了高灵敏、高稳定的单晶石墨烯场效应管（G-FET）生物传感器，提出G-FET检测分子相互作用动态信息的新方法。G-FET对核酸、ATP等分子的检测限达到pM级。本项目在Nature Communication等杂志发表SCI论文32篇，申请发明专利9项，获授权3项，申请美国专利1项。以本项目为基础获批省部级以上课题4项，山东省高校优秀青年团队创新课题1项。本项目研究成果“基于基于场效应管及增强拉曼原理的生物传感器研究”获山东省高校科学技术奖一等奖。项目负责人许士才教授获泰山学者青年专家、享受国务院特殊津贴人员、第十一届山东省青年科技奖，山东省物理学会优秀青年学术奖等。总之，本项目取得了石墨烯\金属纳米复合基底增强拉曼及单晶G-FET生物传感两个重要成果，从理论和实验上丰富发展了增强拉曼和FET传感技术，在疾病标志物检测、基因相关疾病筛查等方面具有重要应用前景。