SERS技术在葡萄糖传感的应用

点击蓝字

关注我们

前言

迄今为止，学术界产生SERS增强效应的机制还存在着较大争论，目前被广泛认同的有两种增强机制：电磁增强和化学增强。在电磁增强过程中，垂直于金属表面的等离子激元振荡会引起两次增强：第一是入射（激发）光增强，第二是拉曼散射光增强^[2]。因此可以通过设计SERS基底来优化局部的表面等离子体激元，这些发生增强的区域通常称为“热点”，如图1所示，其中热点位于表面的尖端。

自从SERS效应发现到现今，研究人员已经制备了许多类型的SERS基底，其主要形状为胶体纳米颗粒和纳米阵列。在本文研究了纳米颗粒的大小对SERS增强效应的影响，以优化SERS技术在葡萄糖传感的应用。

材料与仪器

材料：4-硝基硫酚（4-NTP） 、1,2（4-吡啶基）乙烯、巯基苯硼酸(MPBA)、不同粒径的金纳米球颗粒（AuNPs）

仪器：RM5拉曼光谱仪

结果与讨论

纳米粒子粒径的影响

通过4-硝基硫酚（4-NTP）对不同粒径的金纳米球粒子(20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 80 nm)进行功能化，研究了纳米粒子粒径对拉曼信号增强效果的影响。实验中通过控制不同粒径的粒子在总的粒子数恒定和粒子总比表面积相同两种方式来排除粒子浓度对结果的干扰。图2A和2B分别显示了在恒定总表面积和恒定粒子数下，随着粒子直径的增加，4-NTP的拉曼谱峰信号变化。为了确定最佳的粒子大小，在图2C中显示了4-NTP 在1350 cm^-1处峰的强度与粒子直径的关系。结果显示随着粒子直径的增大，拉曼信号也出现了增强。

图2. A）在恒定比面积AuNPs下4-NTP拉曼谱峰的变化图B）在恒定AuNPs数目下4-NTPd拉曼谱峰的变化图C）随着AuNPs直径增加，4-NTP峰强度变化图

葡萄糖传感

图3显示了拉曼光谱MPBA在1066 cm^-1处的峰强度与葡萄糖浓度之间的关系。从图中可以看出随着葡萄糖浓度的增加MPBA在1066 cm^-1处的峰强度也增大，实验结果表明通过MPBA修饰的AuNPs传感器通过SERS技术最低可以检测0.1 mM浓度的葡萄糖溶液。

图3. 不同葡萄糖浓度下MPBA的拉曼光谱峰强度变化

结论

历经40多年的研究和发展，SERS技术已经涵盖了化学，生物学和物理等多个领域的应用。SERS基底提供的增强因子使拉曼光谱研究人员能够从先前散射太弱或浓度太低而无法看到的样品中获得优质的拉曼信号，并能基于SERS效应创建纳米传感器。在本研究中，我们通过RM5显微拉曼光谱仪优化了SERS基底的物理性能，并制备了用于葡萄糖检测的纳米传感器，可成功检测到低至0.1 mM浓度的葡萄糖溶液。

[1] Fleischmann, M.; PJ Hendra & AJ McQuillan (15 May 1974). “Raman Spectra of Pyridine Adsorbed at a Silver Electrode”. Chemical Physics Letters. 26 (2): 163–166.

[2] Jeanmaire, David L.; Richard P. van Duyne (1977). “Surface Raman Electrochemistry Part I. Heterocyclic, Aromatic and Aliphatic Amines Adsorbed on the Anodized Silver Electrode”. Journal of Electroanalytical Chemistry. 84: 1–20.

[3] Albrecht, M. Grant; J. Alan Creighton (1977). “Anomalously Intense Raman Spectra of Pyridine at a Silver Electrode”. Journal of the American Chemical Society. 99 (15): 5215–5217.