超顺磁性SERS活性基底材料的可控合成及其在肿瘤细胞检测中的应用

With high sensitivity and spectral selectivity, surface-enhanced Raman scattering (SERS) labeled immunoassay has potential advantages in tumor diagnosis. But the construction of active SERS substrate is essential for obtaining the enhanced Raman signals and multifunction is the effective way to improve the reliability of SERS detection. This project aims to design and prepare magnetic-noble metal nanocomposite materials, which combine the separation and enrichment characteristics of iron series nanomaterials with the excellent optical properties of noble metal nanoparticles. In order to investigate the role of magnetic materials in the SERS enhancement effect of noble metal nano-layers, special shape of iron oxides are used and the enhancement mechanism are also discussed. These results provide experimental and theoretical basis for the controlled synthesis of highly efficient magnetic and SERS active substrate materials. Thanks to the tuning of such composite materials, SERS-based biological probes with target, separation, detection and other functions are constructed. Thus, the following two problems can be solved, namely, delayed magnetic response of composite materials as well as weakened SERS performance, which are caused by the surface coating, modification and coupling of functional molecules. Such probes, used for rapid separation and ultra-sensitive detection of AFP of liver cancer markers, will provide a scientific and theoretical basis for early diagnosis of tumors in whole blood.

由于具有高灵敏度和光谱选择性，SERS免疫检测在肿瘤诊断方面具有潜在的优势。而SERS活性基底的构筑是实现拉曼增强的前提，多功能性是提高SERS检测可靠性的有效途径。本项目拟结合铁基纳米粒子的分离富集特性和贵金属纳米粒子的优异光学性质，设计和制备磁性-贵金属复合功能纳米材料。利用铁氧化物的特殊形状作为模型，从理论上分析可能的SERS增强机理，研究材料的磁性对SERS增强效应的影响，为可控合成高效的磁性SERS活性基底材料提供实验和理论依据。得益于此类材料的高SERS效应的调谐，通过解决因表面包覆、修饰和联接功能分子后所导致复合材料的磁响应性能以及SERS性能减弱等问题，构建基于SERS的集靶向、分离、检测等多功能于一体的生物探针，将其用于肝癌标志物甲胎蛋白的快速分离与超灵敏检测，为实现全血中肿瘤的早期诊断提供科学依据和理论基础。

本项目主要着力于磁性-贵金属复合材料的可控构筑，以期获得具有优良SERS活性以及理想磁性的复合材料，并进一步拓展其在痕量检测以及分离方面的应用潜力。通过将水热法和高温热处理法相结合，得到了一系列具有特殊形貌的磁性内核，如球形Fe3O4、花状Fe3O4(Fe2O3)、米粒状Fe3O4(Fe2O3)、花生状Fe3O4(Fe2O3)、椭球状Fe3O4(Fe2O3)等，然后利用种子生长法在磁性内核外层嫁接Au、Ag、Au@Ag等贵金属层，获得了多种不同形貌和尺寸的磁性-贵金属复合材料（花状Fe3O4@Ag，球形Fe3O4@Au，米粒状Fe3O4@Au等）。发展了一步水热法来获得形貌和尺寸可控的Fe3O4@Au和Ag@Fe3O4两种结构材料，并将其拓展到其他尖晶石系列的铁氧化物的制备，获得了三种具有良好的水溶性和磁场响应性的CoFe2O4、NiFe2O4和CuFe2O4磁性材料。考察了它们的SERS活性，研究表明不同的纳米复合结构在SERS机理、催化性能、低浓度物种的富集与检测、以及高灵敏度SERS检测等方面具有广泛的用途。利用简单的、可规模化的液液相自组装方法实现了对Ag纳米线的有序组装，获得了Ag纳米线单层膜、双层以及多层膜，研究了膜的层数对SERS热点的影响，关联了SERS增强机理与“热点”间的内在关系。考察了所获得的SERS活性基底在细胞检测方面的应用，为后续继续开展利用小分子或者蛋白抗体特异性修饰用于高灵敏度检测肿瘤细胞的工作打下了良好的基础。