文| 曾少游

編輯| 曾少游

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前言

為了能夠早期發(fā)現(xiàn)病人和更快速的診斷大多數(shù)疾病，我們需要一種靈敏且選擇性好的化學傳感器，能夠快速、廉價地去檢測人體體液中特定的分子，也就是生物標志物。

這樣做可以帶來更好的治療效果并提高生活質量，而這些生物標志物可以是蛋白質、DNA、RNA、脂質和代謝產(chǎn)物等。

目前市面上確實已經(jīng)存在一些有效的傳感器，專門用于檢測某些疾病，比如HIV抗體和先兆子癇的尿液檢測，但是大部分傳感器的靈敏度或特異性還不夠。

液相色譜-質譜和高效液相色譜等分析方法可以實現(xiàn)低檢的測限，但它們耗時且需要昂貴的實驗室設備，所以研究重點轉向開發(fā)快速經(jīng)濟高效的即時護理傳感器。

其中一些重點領域包括電化學生物傳感器、側向層析試驗、基于熒光的光學生物傳感器和重量法生物傳感器。

但如果要想同時達到所需的敏感性和特異性水平，還是非常困難的。不過科研人員認為表面增強拉曼光譜（Raman spectra）是一種能夠克服這些限制的技術，可惜的是因為種種原因它還沒有被廣泛應用于臨床。

在這項技術里，利用電化學SERS結合電化學和常規(guī)SERS的優(yōu)勢，可以可靠地檢測復雜生物液體中非常低濃度的生物標志物，幫助病人更好地檢測并診斷各種疾病。

SERS原則

拉曼光譜是一種用于分析材料的技術，通過檢測光的散射來確定分子的振動和旋轉狀態(tài)。

然而，由于拉曼散射信號較弱，它的靈敏度不夠高，無法直接檢測體液中的生物標志物。為了解決這個問題，科學家們發(fā)現(xiàn)了表面增強拉曼光譜技術。

在SERS中，目標分子吸附到納米結構金屬表面上，從而使拉曼信號得到了巨大的增強。SERS的增強效果可達到10的8次方，這使得研究人員可以檢測到非常低濃度的生物標志物。其中，SERS增強主要由兩種機制引起，即電磁增強和化學增強。

電磁增強是指金屬納米顆粒表面的局部，等離子體共振現(xiàn)象所產(chǎn)生的局部電磁場增強效應。

當光的波長小于或等于金屬納米顆粒的直徑時，金屬納米顆粒內(nèi)的自由電子會發(fā)生共振振蕩，從而增強了周圍區(qū)域的電磁場。這種電磁增強效應可以大幅度增強拉曼信號。

SERS還可以應用于材料科學、納米技術等領域，為研究人員提供更深入的分子級了解。

EMSERS增強因子，是用來衡量表面增強拉曼光譜技術中局部電場增強效應的大小。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，EF與局部電場和入射激光的電場之間有關系，可以表示為英孚≈|E(ω)|^4|E0|^4。

這個關系說明，微小的局部電場變化會對SERS信號產(chǎn)生顯著影響。

電磁場的大小取決于金屬納米顆粒，當NP之間的距離很小時，會形成非常強的局部增強區(qū)域，被稱為熱點，這可以在兩個納米顆粒之間或者經(jīng)過精心設計的納米結構中形成。單個納米顆粒的EF并不特別顯著，但當納米顆粒之間連接時，EF可以非常大。

隨著NP之間距離的增加，這些增強效應會減弱，當NP之間的距離小于1納米時，量子效應如電子隧穿會預計明顯降低場增強效應，這些研究結果表明，通過控制納米顆粒之間的距離和形狀。

在這里我們可以實現(xiàn)更強大的局部電場增強效應，從而提高SERS技術的靈敏度和檢測限度。除了納米顆粒之間的間隙產(chǎn)生的局部電場增強外，還發(fā)現(xiàn)在粒子的尖銳尖端或邊緣也存在增強的局部電場。

這些尖端或邊緣上的局部電場可以比周圍的金屬納米顆粒更強，從而增強SERS信號。對于球狀金納米棒而言，計算表明球形納米棒的尖端位置的電磁增強，明顯高于納米棒周圍的其他區(qū)域。此外，橢圓體形狀的金納米棒上的最大電磁增強已被證明與其縱橫比有關。

這促使人們對非球形納米顆粒進行廣泛研究，如納米棒、納米立方體、納米三角形、納米星和納米花等。通過將尖端或邊緣的增強效應，與納米顆粒之間形成的局部增強區(qū)域結合起來，可以實現(xiàn)巨大的電磁增強效應。

兩個尖端對準的三角棱鏡可以表現(xiàn)出超過應用場景下的50,000倍增強效果，相比于電磁增強，SERS信號的化學增強效應要弱得多，但也值得注意，因為它可以解釋拉曼峰的變化。

化學增強是由于吸附的分子在基態(tài)，或激發(fā)態(tài)下將電子轉移到金屬中或從金屬中轉移，這可能導致分子的極化率發(fā)生變化。

這些變化可能導致拉曼散射信號的偏移或增加，通過控制納米顆粒的形狀和結構，并利用局部增強區(qū)域和化學增強效應。

E-SERS：特殊類型的表面增強拉曼散射

如果想要實現(xiàn)更強大、靈敏度更高的SERS技術，就要用到E-SERS，這是一種特殊類型的表面增強拉曼散射，它發(fā)生在電化學單元內(nèi)。

類似于傳統(tǒng)的電化學電池系統(tǒng)，E-SERS系統(tǒng)包括一個工作電極，一個參比電極和一個對電極，以及一個電解質。

在E-SERS中，工作電極是一種納米結構的金屬表面，可以用于進行SERS測量，我們會使用恒定電位儀來控制工作電極的電勢。通過控制電勢，還可以調(diào)節(jié)工作電極上的電場強度，從而影響SERS信號的增強效果。

不難看出，E-SERS利用了電化學系統(tǒng)中工作電極的納米結構表面，通過控制電勢來實現(xiàn)SERS信號的增強，這種方法在實現(xiàn)高靈敏度和選擇性的分子檢測方面具有潛力。

E-SERS系統(tǒng)示意圖

其實，E-SERS就是一種使用拉曼光譜原位研究電化學反應的方法，可以用于在納米結構表面分析物的電化學吸附。

不過在后續(xù)的實驗中，當施加電位到工作電極上時，大家發(fā)現(xiàn)這種方法還可以增強SERS信號，也就是表面增強拉曼散射信號。

電極表面和溶液之間的反應

在研究時，會涉及到分析物在納米結構表面的電化學吸附，當帶電電極與電解質接觸時，在電極表面和溶液之間形成一個稱為電化學雙層的界面區(qū)域。

這個雙層的性質會隨著電極電位的改變而改變，如果電極電位更負，那么陽離子會被吸引到表面，而帶正電的極性分子則會與電極相互作用。

反之，如果電極電位更正，那么帶負電的陰離子會被吸引到表面。通過施加適當?shù)碾娢豢梢钥刂七@種吸附過程，從而增加分子在表面上的吸附量，進而增強SERS信號，金屬表面上的電子數(shù)量也會受到電位改變的影響。

改變電極的電位會改變金屬納米結構中表面的電荷密度，而表面電荷密度的改變會影響等離子體共振的頻率和振幅，從而導致SERS信號的增強。當施加負電位時，更多的電子會注入SERS基底，使得等離子體共振的幅度增加，進而增強了SERS信號。

費米能級決定了光驅動下電荷轉移的可能性，而這個過程在SERS信號的化學增強中起著重要作用。改變電極的電位會改變金屬的費米能級，從而增加電極和分子之間的電荷轉移可能性。這種電荷轉移的增加會導致SERS信號的增強。

電極、分析物、電解質和環(huán)境等的結構和組成都會影響E-SERS的增強效果，在經(jīng)過深入研究分析物之后，發(fā)現(xiàn)E-SERS技術的作用不僅僅在于增強SERS信號上面。

這項技術非常強大，因為它可以控制吸附在表面上的分子種類，并增強它們的SERS信號。通過檢測不同電位下的不同分子，可以實現(xiàn)多路復用，從而提高了使用SERS在復雜生物體液中檢測生物標志物的可能性。

沉積在剛性基板上的膠體NPs

通過濕化學合成的膠體納米粒子，可以用于表面增強拉曼散射技術金納米粒子，還可以通過廉價且可重復合成的技術來制備。在這種方法中，四氯化金通過檸檬酸鈉在水中還原，同時檸檬酸鹽作為靜電穩(wěn)定劑。

通過精確控制成核和生長步驟，可以合成直徑在10到200納米左右的金納米粒子。類似的方法也適用于合成銀納米粒子，其中硝酸銀被檸檬酸鹽還原。這些膠體納米粒子可以應用于電化學表面增強拉曼散射技術中。

與電化學粗糙電極相比，這些膠體納米粒子的表面特征更加均勻，整個表面的信號差異可以小于10%，這種方法已成功應用于許多E-SERS傳感器的制備。

通過濕化學合成可以制備金和銀膠體納米粒子，并將其應用于電化學表面增強拉曼散射技術，這為制備高性能的SERS傳感器提供了一種可行的方法。

在SPE上制備的多層滴鑄Au/AgNP電極的SEM圖像插圖

雖然與其他基于SERS的傳感器相比，這些檢測到的濃度并不是特別低，但它們足以通過先兆子癇診斷測試的閾值，并非總是需要開發(fā)最靈敏的傳感器，而是需要為特定應用開發(fā)最有效的系統(tǒng)。

其實，大部分關于E-SERS中膠體納米顆粒的研究工作都使用了球形NPs，因為它具有高度可重復性和成本效益。

近年來，由于球形NPs的高對稱性，更先進的非球形NPs，如納米棒、納米立方體、納米星等，開始受到科學界的關注。

通過熱點放大效應增強拉曼信號

在將膠體NPs沉積到剛性基板上時，主要問題是顆粒在表面上的分布不均勻，這限制了SERS信號的增強效果。為了解決這個問題，我們將規(guī)則模式排列NPs。

不過可惜的是，通過自組裝產(chǎn)生具有亞10nm間隙的高度有序NP陣列，仍存在一些局限性，比如需要去除表面活性劑分子等。

CTAB封頂?shù)慕餘P的自組裝生產(chǎn)NP陣列的制造工藝

與傳統(tǒng)的膠體納米顆粒沉積不同的是，E-SERS使用三電極電化學電池和恒電位儀，這使得它成為一種更具吸引力的制造工藝。

與EC粗糙化類似，E-SERS利用相同的設備，并且可能更快、更容易操作，因為NP可以直接沉積在剛性導電基板上，無需滴涂。我們在電解質中使用0.1mM的氯化氫四氯金酸鹽，并在特定的時間內(nèi)施加一系列電位步長。

實驗參數(shù)的改變顯示了金顆粒的粒徑，隨著氯化金酸鹽濃度和沉積時間的變化而變化。在應用20個15秒循環(huán)后，相比于單個300秒的電位步長，0.1mM四氯金酸鹽產(chǎn)生了更多的均一分散的金顆粒。

在這里我們采用了兩步法，在含有0.1mM氯化金酸鹽和0.1M氯化鈉的溶液中，施加+0.89V至-0.8V的電位，并持續(xù)410秒。這一步驟促使形成許多小的金顆粒作為種子，在隨后的生長步驟中，這些顆粒作為種子，通過循環(huán)伏安法在同一電池中生長。

通過逐漸增加循環(huán)次數(shù)，金顆粒的尺寸增加，顆粒間的間距減小，從而形成熱點。此方法制備的金顆粒尺寸更小、更均勻，顆粒間的間隙也會更密集，非常適合用于SERS應用。

與傳統(tǒng)的膠體納米顆粒沉積不同，E-SERS使用EC電池和恒電位儀，并能夠快速、簡單地制備具有較小顆粒尺寸和均勻間距的金顆粒，這種制備方法對于開發(fā)高效的E-SERS應用具有很大的吸引力。

在ITO上形成金NPs的兩步ED過程

總結

E-SERS制備中常用的方法，是通過電沉積金納米顆粒在導電基底上形成納米結構，可以使用三電極電化學電池和恒電位儀來控制電位和電流密度。

該方法可以實現(xiàn)金NP的高密度和均勻分布，從而增強了SERS信號。化學物質的選擇對E-SERS納米結構電極的制備至關重要。金鹽是最常用的金屬源，它通過還原反應在導電基底上生成金NPs，其他金屬鹽也可以用于制備不同材料的納米結構電極。

添加劑如氯化鈉、氯化鈣等可調(diào)節(jié)反應速率、粒子形貌和尺寸分布，改變電位和時間參數(shù)對納米結構電極的形成也具有重要影響。調(diào)節(jié)施加到工作電極上的電位步長和電位范圍可以控制金NPs的尺寸、分布和形貌。

納米結構電極的性能評價主要基于其SERS信號增強因子和穩(wěn)定性，EF是用于衡量納米結構電極與傳統(tǒng)表面的SERS信號增強效果的指標，穩(wěn)定性考慮了納米結構電極的使用壽命和抗氧化性能。

我們根據(jù)實驗得知，SERS納米結構電極的制備研究已經(jīng)取得了重要進展。通過控制電位、時間和化學物質選擇，可以制備出具有優(yōu)良SERS性能的納米結構電極。

未來的研究可以進一步改進制備方法、優(yōu)化納米結構，以及應用于更廣泛的SERS領域，如環(huán)境監(jiān)測、生物傳感和化學分析等。

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