薄膜组装技术制备表面增强拉曼散射增强基底及其应用进展*

杨东梅，徐维平，徐婷娟，吴亚东，金勤玉，盛竹君

(1.安徽中医药大学，安徽 合肥 230012； 2.安徽省立医院，安徽 合肥 230001)

薄膜组装技术制备表面增强拉曼散射增强基底及其应用进展*

杨东梅1，徐维平2，徐婷娟2，吴亚东1，金勤玉1，盛竹君1

(1.安徽中医药大学，安徽 合肥 230012； 2.安徽省立医院，安徽 合肥 230001)

表面增强拉曼散射(SERS)定量检测痕量分析中均一、稳定、重复性好的活性基底膜至关重要。薄膜组装技术制备的纳米薄膜高度有序、厚度均一、可控，可增强分析物分子的拉曼信号，提高SERS的特异性和灵敏度。SERS技术制样简单、不受溶剂水的干扰，可以实现在分子水平上无损、灵敏、定量的检测痕量分析物。目前已广泛应用于环境科学、生物医药、材料科学等不同领域。该文对SERS增强基底的薄膜组装技术及其在环境污染物和癌症检测方面的应用和进展进行了综述。

表面增强拉曼散射；增强基底；薄膜组装技术；癌症检测

1928年，C.V.Raman首次发现拉曼散射效应。1974年，Fleischman等[1]发现，将吡啶分子吸附在粗糙银电极表面，拉曼信号可增强5～6个数量级，称为表面增强拉曼散射（SERS）。SERS作为一种非侵入性的检测手段，能无损、灵敏地给出待检测物质的组成与结构信息[2]。SERS的产生依赖于具有一定粗糙度的贵金属基底，因此具有高 SERS增强活性、灵敏度、整齐均一、高稳定性和可重复性的增强基底是实现物质痕量分析、定量检测的关键。研究表明，功能化的金属纳米材料通过薄膜组装技术中 Langmuir-Blodgett（LB）组装和层层自组装（LBL）技术制备成具有特定物理化学性质的增强基底，已广泛应用于生物医学、环境科学、材料科学、生命科学、考古学等众多领域，具有非常广阔的应用前景。笔者对LB组装技术和 LBL组装技术中的浸渍组装[3]、旋涂组装[4]、喷涂组装[5]及其在环境污染物和癌症检测方面的应用综述如下。

1 SERS基底组装技术

1.1 LB组装

LB组装是将纳米材料分散在不溶于水的易挥发有机溶剂中（氯仿或正己烷），均匀铺展分散在水表面，待有机溶剂挥发，沿水平方向对液面施加压力，使材料在气-液界面上形成紧密有序排列的纳米级单层[6]，采用合适的固体衬底将其从液体表面转移，得到高度整齐、均一有序的膜。LB组装条件温和，在常温下即可进行，衬底选择范围较广，如玻璃片、金属片、半导体基片等。组装方式灵活，可制备单层膜，也可层层累积成多层膜，可组装单一材料，亦可交替组装两种及多种材料；可实现分子水平上精确控制膜厚度[7]，且不改变材料本身的性质；LB基底膜中分子可高度有序排列，均一性较高，几乎无缺陷。

Lee等[8]制备银纳米立方体（Ag nanocube），通过纯化、修饰后，利用LB组装成超疏水性Ag nanocube膜，仅需要1 μL，即可追踪检测到10-16mol／L的罗丹明-6G(R6G)，增强因子高达1011，物质的量浓度在10-7～10-10mol／L范围内，均可实现定量检测。

1.2 LBL组装

LBL组装是指利用逐级交替沉积的原理[9]，借助各层分子间的作用力，使层与层之间形成结构完整、性能稳定、具有特定功能的薄膜。LBL组装包括浸渍组装、旋涂组装、喷涂组装。1966年，Iler等[10]通过交替吸附将带相反电荷的胶体粒子构筑成更多层薄膜结构。1991年，Decher等[11]首次利用带相反电荷的聚电解质通过静电作用反复交替自组装成多层纳米复合膜，而且薄膜层间以离子键方式结合、沉积，达到一种平衡状态，为从分子水平控制膜厚度和膜结构提供了可能。

LBL组装的材料具有广泛的选择性，可以是各种形貌的金属纳米材料，也可以是DNA、蛋白质、多糖等生物大分子。薄膜厚度和粗糙度可控，高度有序，且每种技术在实现自动化和提高分层等方面具有较大的创新[12]。

浸渍组装：是将形貌和尺寸不同的衬底浸泡在含有所需材料的溶剂中，然后洗去未被吸附的材料。浸渍组装技术简单，材料选择具有易用性和通用性，衬底不受尺寸和形貌限制，且组装的多层基底膜均一性较好。但是颗粒基底组装时的离心步骤会破坏颗粒，导致颗粒团聚，耗时且劳动强度较大，难以实现自动化，因此浸渍组装的核心在于避免离心，可通过对添加的聚合物进行定量，计算出颗粒基底的表面饱和数量来实现。目前大量的研究工作致力于转换沉降动力，减少组装时间和人力劳动，实现快速沉降动力学与自动化系统相结合[13]。浸渍组装已广泛应用于发光二极管、有机物检测、药物运输等不同领域，在新产品的研发和提高基底膜质量方面发挥重要的作用。Su等[14]合成了形貌较好、粒径较均一的星状纳米金材料，将氨基化修饰后的玻璃基底浸泡在此凝胶中搅拌过夜，用水清洗、干燥后作为SERS的活性基底，可实现对10-11mol／L尼罗蓝A和10-9mol／L R6G等有机分子的检测。

旋涂组装：是将聚合物或纳米凝胶材料滴在基底表面进行铺展，通过高速旋转产生的离心力促进材料的均匀沉积[15]，加速溶剂的挥发，甩离多余的涂层材料，形成稳定的理想型基底膜的技术。旋涂制备的薄膜的厚度、形貌、微观结构具有良好的重复性，主要与溶液的浓度与黏度、衬底的浸润性、溶剂的挥发速度及旋转速度有关[16]，而与滴加速率、溶液的量及涂布时间关系甚微。使用商用旋转镀膜机可实现组装自动化，衬底平行于旋转轴，旋转离心力直接将聚合物材料推到衬底上，静电作用力引起聚合物的吸附和重排，离心力、空气剪切力和黏滞力导致较弱结合力的聚合物的解吸和薄膜的脱水[17]，有利于形成更快、更薄、更均匀、有序且分层更多的基底膜。Cho等[18]通过优化试验参数，精确调节聚苯乙烯（PS）与聚4-乙烯基吡啶（P4VP）的比例，控制2个相邻的 Ag颗粒或 Ag纳米晶簇的间距，将其旋涂在硅片上，去除PS-b-P4VP后，获得了平均尺寸为25 nm，间距为8 nm的聚集纳米晶簇，作为超高密集序列的 SERS活性基底，对于单分子的检测增强因子高达1×108。

喷涂组装：是非接触式组装技术，通过独特可控的高压喷雾装备和喷雾工艺，将高压空气驱动下雾化的聚合物溶液有序、均匀地喷涂在基底表面，扩散成微观结构和性能较好的薄膜过程。相对于其他组装，喷涂组装设备及操作简单，制作周期短，成本低廉，材料利用率高，不受基底尺寸和柔韧度的影响，喷涂量的选择范围较宽[19]，不受喷涂量的限制。喷涂组装制备薄膜速度较快，表观质量较好，固化后不易脱落，涂层表面光滑，且后续层不干扰前层，已成为新型多层薄膜制备工艺中的一颗新星，有望成为实现理想量产要求的可行制备方法。Li等[20]将制备的Ag溶胶喷涂在不同种类的试纸基底上，检测荧光分子R6G的拉曼增强信号。结果表明，喷涂组装的Ag溶胶试纸基底，具有较高的灵敏度，可检测10-9mol／L R6G分子信号，在不同试纸或同一试纸的不同部位的 RSD均低于15%，具有较好的重复性。

2 SERS在环境和癌症检测方面的应用

2.1环境污染物检测

王晓彬等[21]通过快速溶剂前处理法提取脐橙果肉，利用SERS检测提取物中的三唑磷农药，发现6处拉曼特征峰得到增强，实现了农药残留的现场及快速检测。Cao等[22]通过“一锅煮”水热合成法制备了具有双重功能的Au-Ag-S复合纳米材料，实现了塑化剂DEHP和DEHA光催化降解和表面增强拉曼散射光谱的检测；对橘子汁中DEHP和DEHA的最低检测限分别为10-9mol／L和 10-7mol／L，而且在短时间内可降解乙醇溶液中10-5mol／L的塑化剂。Lee等[23]利用浸渍法将Au NPs与突触核蛋白制备的核壳复合纳米材料，组装在羟基化或烷基化修饰的载玻片上，检测有机物四磺酸酞菁（PcTS），并在此基础上检测过渡金属离子（Fe3+和 Cu2+），效果良好，展现出十分重要的应用前景。

2.2 癌症检测

由于癌症早期临床症状不明显，易被患者忽视，目前临床诊断手段存在缺陷，大多数患者确诊时已到中晚期，大大降低了患者5年生存率。因此快速、精确、灵敏度和特异性高的早期癌症诊断方法，已成为研究的热点。当荧光分子与金属结合，发生非辐射能量转移，猝灭分子荧光。贵金属纳米粒子活性基底可有效猝灭生物样品分子的背景荧光信号，最大程度地降低其他成分的干扰[24]，在肿瘤细胞和生物标记物检测方面具有较好的应用前景。

细胞检测：细胞是生命体的基本结构和功能单位，在肿瘤生长的过程中，细胞中生物分子的结构和数量会发生显著的变化[25]。SERS光谱可以从分子水平上探测细胞中蛋白、核酸、脂类和糖类等生物分子的精细结构和信息，因此可作为早期癌症的检测手段。检测癌症患者血液中的循环肿瘤细胞(CTCs)对于癌症早期诊断、化疗药物治疗效果的评估和治疗方案的选择至关重要。Wu等[26]合成粒径为17 nm的Au NPs，通过Au-S键吸附拉曼信号分子4-巯基苯甲酸（4-MBA），功能化修饰还原牛血清白蛋白（rBSA），通过与叶酸（FA）的—COOH和rBSA的—NH2发生反应，将靶向配体FA嫁接在Au NP-MBA-rBSA上，制得了Au NP-MBA-rBSA-FA表面增强拉曼散射复合纳米粒子，用于家兔血液中癌细胞的直接检测。当叶酸受体过表达时，癌症患者血液中的CTCs可识别复合纳米粒子表面的FA，而非癌症细胞识别不了，在5～500 cells／mL范围内，SERS强度与CTCs质量浓度呈线性相关（R2=0.993 5），最低检测限（LOD）为5 cells／mL，比目前报导的数值均低。Craig等[27]通过制备凝集素功能化的Ag纳米颗粒，作为分子成像剂，利用SERS光谱和多聚糖在细胞间表达的差异性，鉴别癌症与非癌症细胞。目前，已成功地鉴别了2种类型的前列腺癌细胞，建立了通过使用SERS检测多聚糖的表达，实现癌症细胞检测的新方法。

生物标记物检测：生物标记物包括miRNA、蛋白质、生物活性小分子等，可以从分子水平研究发病机制，准确、敏感地评价早期、低程度的损害，可作为临床的辅助诊断手段。Ye等[28]提出了一种不对称信号放大法，实现不同水平的多个生物标记物的同时检测。将bio-barcode探针与杂交链反应（HCR）放大法结合，组装成Au NP修饰的双功能SERS探针，具有靶向识别、信号转导和信号放大的功能，利用对高浓度分析物的线性信号放大和低浓度分析物的2次信号放大的原理，实现了对癌细胞中 miRNA和ATP的同时检测。Panikkanvalappil等[29]设计了 DNA-Ag溶胶活性基底，在SERS的Hot spots区容纳更多的DNA，Ag颗粒增强了DNA拉曼信号，实现对不同癌细胞和正常细胞中DNA的检测，为癌症检测提供重要的参考依据。Wang等[30]设计了基于SERS的免疫分析法，将Au NP、拉曼信号分子和检测抗体联合组装在修饰抗原分子的Au基底上，检测胰腺癌（PC）患者和健康志愿者血清中的黏蛋白MUC4。结果显示，相对于健康患者，胰腺癌患者的MUC4产生了更强烈的SERS信号响应，证明SERS的免疫分析法比传统的酶联免疫吸附（ELISA）测定法和放射免疫测定（RIA）法的效果都显著，亦可用于其他癌症的检测。

3 展望

SERS技术在分子水平上，可实现农药残留物、食品添加剂、环境有机和重金属污染物的痕量和定量检测；也可实现 DNA、miRNA、蛋白质、循环肿瘤细胞的快速、精确检测；在环境和食品中污染物检测、疾病诊断等领域具有较大的发展潜力和应用价值。近年来，薄膜组装技术也不断发展成熟，可制备性能和强度稳定、均一的SERS活性基底，增强分析物分子的拉曼光谱信号，满足应用需要。SERS检测对于理想的活性基底的稳定性、均一性、重复性和适应性等要求较高，好的活性基底是实现灵敏、快速检测的关键，也是研究热点。另外，由于食品、环境、血液等成分复杂，会对分析物造成干扰，因此理想的样品分离、纯化等前处理技术也将成为研究的重点。总之，随着技术的发展，SERS技术将在环境污染、食品安全、癌症检测等众多领域中起到无可替代的作用。

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Preparation and Application of SERS Enhanced Substrate via Thin-Film Assembly Technology

Yang Dongmei1,Xu Weiping2,Xu Tingjuan2,Wu Yadong1,Jin Qinyu1,Sheng Zhujun1
(1.Anhui University of Traditional Chinese Medicin,Anhuie,Hefei,China 230012; 2.Anhui Provincial Hospital,Anhui,Hefei,China 230001)

The active substrate with uniform,stable,reproducible are the key for surface-enhanced Raman scattering(SERS)to realize quantitative detection of trace analytes.The highly ordered,uniform thickness,controllable nanofilms prepared by film assembly technology can enhance the Raman signal of analyte molecules,and can improve the specificity and sensitivity of SERS.In this paper,the SERS substrate assembly technology and its application in environmental pollutants and cancer detection were reviewed.

surface enhanced Raman scattering;enhanced substrate;thin-film assembly technology;cancer detection

R945

A

1006－4931(2015)23－0009－03

杨东梅，女，硕士研究生，研究方向为药剂学，(电子信箱)136821986＠qq.com；徐维平，男，硕士研究生导师，研究方向为药剂学和药理学，本文通讯作者，（电子信箱）wpxu＠mail.ustc.edu.cn。

2015－08－13)

β安徽省科技攻关项目，项目编号：1301042117。