表面增强拉曼的机制研究进展及其在生物医学中的应用-上海应用物理.PDFVIP

第 32 卷 第 5 期 辐 射 研 究 与 辐 射 工 艺 学 报 Vol.32, No.5 2014 年 10 月 J. Radiat. Res. Radiat. Process. October 2014 表面增强拉曼的机制研究进展及其在生物医学中的应用 王东方 1,2 宋世平 1 1 （中国科学院上海应用物理研究所嘉定园区 上海 201800 ） 2 （中国科学院大学 北京 100049 ） 摘要 对表面增强拉曼(Surface enhanced Raman spectroscope, SERS)的增强机制研究进展，包括电磁增强机制 和化学增强机制，以及具有高SERS 活性的 SERS 探针进行综述。这种高活性的 SERS 探针可以用于单分子检 测和单细胞成像。为了更好的应用于生物医学领域，SERS 探针需要很好的生物兼容性。SERS 探针能够提供 详细的光谱信息，为多元分子诊断和体内拉曼成像提供了新的研究工具。 关键词 综述，表面增强拉曼(SERS)，生物应用，SERS 成像，表面等离子体共振 中图分类号 O657.37，TL65 DOI: 10.11889/j.1000-3436.2014.rrj.32.050101 拉曼光谱是一种分子振动光谱，可以反映分子 学增强以及对原子表面粗糙程度的依赖性。Tsai 等 的结构特征。表面增强拉曼(Surface enhanced Raman 提出了一种共振分散理论来解释聚集胶体中的表面 spectroscope, SERS)是人们在将激光拉曼光谱应用 增强拉曼效应[3] 。EM 来自于小金属颗粒表面等离 于表面化学研究探索中发现的一种新的表面光学现 子体共振的光学激发效应，这导致了颗粒表面电磁 象。由于SERS 比普通拉曼的信号要高几个数量级， 场强度的显著增强。对于化学增强机制，吸附在颗 近年来得到了快速发展。且与其他分析工具相比， 粒表面特定位置（如原子簇）的分子可以与表面产 SERS 具有自己独特的优越性：(1) SERS 可以用于 生电子耦合，这会产生与共振拉曼散射相似的增强 研究多种界面分析，如固−固、固−气和固-液等；(2) 效应。 SERS 给出的是具有分子水平上的信息，从而可以 在单颗粒水平上，Xu 等[4-6]提出电磁增强的最 实时、原位地探测待测物质，这使其成为生物分析 大的增强因子可以达到 1011 。这种增强来自于两个 领域的有力工具。 颗粒之间的间隙或者在尖锐的表面突起以外的地方 近十几年来，SERS 的研究取得了一些较大的 获得的。Michaels 等[7]从实验结果说明了单分子 进展：一方面，对 SERS 机制的深入研究让人们更 SERS 与表面等离子体共振并不完全相关，并且 深刻地认识到其增强机制，对发展新的 SERS 探针 SERS 活性位点很可能位于两个纳米银之间的缝 具有指导意义；另一方面，新技术的发展提高了 隙。这种非直接的证据表明，除了 EM 机制，还有 SERS 的检测灵敏度，将其提升为新兴的单分子科 一种化学或者其他非依赖于电磁场效应的机制存 学检测手段之一。本文将从 SERS 的机制研究进展 在。换句话说，表面等离子激发是必须的但还不足 以及在生物医学中的应用两方面分别进行综述。 够观察到单分子 SERS。EM 机制另一个无法解释的 现象是“SERS 闪烁”。这种现象跟荧光发射不连续 1 表面增强拉曼的原理