基于新型NIR-SERS基底的生物大分子NIR-SERS效应应用基础研究

拉曼(Raman)光谱技术是研究生物大分子结构的有效手段之一。然而，由于生物大分子的Raman 散射截面小，且具有很强的荧光发射，使其 Raman 信号很难获得,这成为获得生物大分子高信噪比Raman光谱的一个普遍难题。本项目拟在前期对正、负电性纳米银粒子研究的基础上，采用自行探索的"电解法联合晶态/非晶态基底自组装"技术和"微波法联合晶态/非晶态基底自组装"技术制备新型稳定、高效、生物兼容性近红外表面增强拉曼散射(NIR-SERS)基底，并将其应用于生物大分子NIR-SERS效应研究，从NIR-SERS 光谱方面研究生物大分子结构。同时，深入探索基于NIR-SERS效应的生物大分子荧光淬灭、SERS增强机理；进一步验证和完善课题组前期所提出的"纳米空穴分子嵌入引起生物大分子SERS效应"的生物大分子SERS增强机理观点，为生物大分子荧光淬灭、SERS增强机理的理论分析提供有意义的思路。

拉曼 (Raman) 光谱是生物检测的一种常用手段。一般生物大分子的 Raman 散射截面小，荧光背景强，其高信噪比的 Raman 信号难以获得；再者，在生物大分子的 Raman 检测中，激发光波长小于 514.5 nm 的可见光极易引起生物大分子的“光致变性”。采用近红外表面增强拉曼散射（NIR-SERS）光谱技术有望同时解决以上两个难题。本项目在前期对正、负电性纳米银粒子研究的基础上，自行探索了“电解法联合晶态/非晶态基底自组装”技术和“微波法联合晶态/非晶态基底自组装”技术，制备了多种稳定、高效、且具有生物兼容性 NIR-SERS 基底，其中包括聚乙烯醇（PVA）保护的纳米银薄膜、基于铝基的“纳米银草”、金纳米棒、金三角纳米柱以及银包金的纳米棒等纳米结构。项目将部分良好的 NIR-SERS 基底应用于蛋白质、核酸等生物大分子 NIR-SERS 效应研究，同时也推广到了一些病毒、细菌的 NIR-SERS 检测与分析。结合量子化学计算，研究了DNA 及其碱基的 NIR-SERS 光谱以及它们在银纳米粒子表面的吸附行为，探索了生物大分子的 SERS 增强机制，并初步验证了我们所提出的“纳米空穴分子嵌入引起生物大分子 SERS 效应”的观点。另外，本项目基于所制备的一些新型 NIR-SERS 基底，较为系统地研究了肝癌、白血病及甲亢患者氧合血红蛋白、血清蛋白的 NIR-SERS 光谱，同时与正常人氧合血红蛋白、血清蛋白的 NIR-SERS 光谱数据进行对比，结合多变量统计分析，找到了具有统计意义的光谱诊断指标，达到了良好的诊断效果。例如，基于人氧合血红蛋白，采用 NIR-SERS 光谱检测技术，我们实现了肝癌的 NIR-SERS 光谱诊断，其诊断灵敏度达到 95.00%，特异性为 85.70%。同时采用 NIR-SERS 技术对急性粒白血病、甲亢患者的氧合血红蛋白进行了检测，并与正常人的氧合血红蛋白的 NIR-SERS 谱进行了对比，得到了有意义的诊断指标。研究表明：NIR-SERS 光谱技术有望成为一种有效的疾病检测技术。最后，本项目还基于微波法制备的纳米银胶对黄色葡萄球菌、变形杆菌、大肠杆菌等致病性细菌进行了SERS 光谱检测与分析，取得了一定成效，为后续研究奠定了基础。项目已表学术论文23 篇，其中 SCI/EI 收录11篇，获得国家发明专利 1 项。