基于贵金属纳米粒子的SERS活性基底研究进展

廖 佳， 胡玉玲*， 李攻科*

(中山大学化学与化学工程学院，广东广州 510275)

1 引言

表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS)是一种新兴的分析技术，当分子吸附或非常接近于具有某种纳米结构的金属表面时，分子的拉曼信号得到显著增强，能实现单分子量级样品的检测，并提供分子结构丰富的指纹信息。近年来，SERS作为一种强有力的检测手段，在化学、物理、生物、医学、环境监测、公共安全等领域都得到了广泛的应用。

目前，普遍接受的SERS机理有电磁增强机理和化学增强机理两类，其中电磁增强机理起决定性作用。电磁增强主要是激发光在粗糙化的金属纳米结构表面激发表面等离子体共振，金属表面局部电磁场增强，使得金属表面分子的拉曼散射信号得到增强。因此，在一些相距很近(几纳米)的纳米颗粒聚集体系中，由于颗粒间表面等离子体耦合会在颗粒间形成具有极大电磁场增强的“热点”,SERS中的“热点”效应是其具有超高检测灵敏度的主要原因[1]。化学增强机理则是涉及金属纳米结构表面和吸附分子之间的化学键合或电荷转移机制[2]。

众所周知，SERS效应与基底有密切关系，金、银纳米溶胶对许多分子有很好的增强效果，并且制备方法简单、易于存储，被广泛用作SERS活性基底。然而，金、银纳米溶胶在使用过程中容易团聚导致SERS增强的重现性差；另一方面，SERS作为一种表面敏感技术，限制了一部分没有特殊官能团与金、银纳米粒子表面相互作用的分子在SERS方面的应用。为了将SERS发展成一种有实际应用意义的分析技术，SERS基底应具备以下特征[3]：(1)具有高SERS活性，能提供灵敏的分析检测；(2)具有良好的稳定性和重现性，保证基底在不同环境下使用的稳定性，提高基底批次间的重现性；(3)具有较高的选择性；(4)SERS基底干净不受杂质分子干扰；(5)易于制备和存储。SERS活性基底的制备一直是SERS研究领域的重要环节和热点，有效SERS基底的发展不仅可以拓宽SERS技术的应用，还可以为SERS机理研究提供模型，不断推动SERS技术的发展。人们想出了很多方法构建灵敏度高、稳定性好、选择性高、制作简单的SERS基底。其中，对金属纳米粒子表面进行分子修饰，或者将金属纳米粒子和不同功能或形状的基质材料进行复合，从而得到既保留贵金属纳米粒子原有的高SERS增强活性，又具有基质材料性质和功能的复合材料，使得SERS的研究和应用得到极大的推动。本文总结了近年来基于贵金属金、银纳米粒子常见的分子修饰或基质复合的新型SERS活性基底的制备及应用进展。

2 分子修饰贵金属纳米粒子SERS基底

2.1 有机小分子修饰的SERS基底

烷烃及其取代物是最早用于修饰贵金属纳米粒子的一类分子，这种方法主要是利用目标分子与长链烷烃的疏水相互作用将目标分子拉近到金属纳米结构表面。Olson等[4]利用C18修饰金纳米基底，由于C18自组装膜对多环芳烃(PAHs)具有富集作用，因而可以实现SERS检测，其中分子芘的检测浓度最低可以达到2 μg/L， 萘和菲的检测浓度可以达到5 μg/L。 Van Duyne研究组分别使用癸硫醇[5]、癸硫醇衍生物(EG3)[6]、正癸硫醇(DT)/6-巯基己醇(MH)混合单分子层[7,8]修饰SERS活性基底实现了拉曼散射截面弱的葡萄糖分子的检测。其中，DT/MH修饰的混合单分子层由于DT长链和MH短链之间形成孔隙使葡萄糖分子更接近金属表面的电磁场，该基底抗干扰能力强，能稳定的应用于牛血浆中[8]和小鼠活体中葡萄糖的实时快速检测[9]。这种烷烃修饰的SERS基底能够获得很高的检测灵敏度，同时可以提高基底的稳定性，但仅利用了二者间的疏水作用导致检测选择性较差。

为满足SERS实际应用的需要，目前人们更多的选择对目标物质具有特异吸附的分子修饰金属表面，按照这一思路制备的SERS基底可以提高复杂样品体系检测的选择性。Dasary等[10]用半胱氨酸修饰金纳米粒子，利用爆炸物三硝基甲苯(TNT)与半胱氨酸能形成Meisenheimer复合物的原理，选择性识别TNT分子，实现高灵敏SERS检测。SERS方法特异性检测重金属离子的文献已有报道[11,12]。Li等[12]在吸附了染料分子的银纳米粒子表面通过Ag-S共价键合修饰上L-半胱氨酸，Cu2+和 Hg2+与裸露的甘氨酸部分能形成内络盐使银粒子发生团聚形成SERS “热点”从而使染料分子的拉曼信号大大增强，实现金属离子的间接检测。由于Cu2+和 Hg2+与裸露甘氨酸部分络合的稳定常数logK高达16.3和19.2，并且可以使用SCN-屏蔽Hg2+，使用该方法可以高选择性的检测到10 pmol/L Cu2+和1 pmol/L Hg2+。相反地，有些研究组使用重金属离子竞争吸附金属表面修饰分子使拉曼信号降低的方法检测低浓度的重金属离子[13,14]。 如Duan等[14]根据Hg2+竞争吸附金纳米粒子表面铋试剂Ⅱ后拉曼信号的降低定量检测Hg2+，其他重金属离子无干扰。

紫晶二阳离子是近年来备受关注的一类SERS基底修饰分子，这类分子能够拉近纳米粒子间隙，诱发产生丰富的SERS “热点”，同时能在“热点”范围内形成空穴捕获目标分子实现高灵敏的SERS检测。另外，紫晶二阳离子修饰分子作为电子接受体能与吸附到空穴内的电子给予体目标分子形成电子转移复合物，目标分子在这个体系中激发的拉曼散射信号将得到显著增强[15]。Sanchez-Cortes研究组[16 - 19]对不同紫晶二阳离子如光泽精、敌草快和百草枯修饰的SERS基底检测多环芳烃进行了深入系统的研究。研究表明光泽精修饰的基底增强效果最好，双官能团上的两个季氮原子能稳固的吸附到金属表面诱导形成SERS “热点”，基底修饰分子的芳香基团与多环芳烃主要通过π-π堆积作用形成电子转移复合物，可以检测到5.0×10-9mol/L的芘分子[19]。

2.2 聚合物分子修饰的SERS基底

聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇等常常用来作为金属溶胶的保护剂防止金属纳米粒子的进一步团聚[20,21]。Yang等[22]使用聚邻氨基苯硫酚(PAT)修饰的金纳米粒子选择性检测三硝基甲苯(TNT)，他们通过加入表面活性剂十二烷基硫酸钠来控制PAT层的厚度。该基底表面丰富的氨基能与TNT分子形成Meisenheimer络合物，实现高灵敏选择性识别检测TNT，并且PAT修饰后的SERS基底能稳定适用于pH范围为2.0～12.95的环境。类似地，Marsich等[23]则在银粒子表面修饰聚L赖氨酸，该基底即使在弱碱性介质中都含有带正电荷的亲水性氨基，通过静电作用吸附胆红素。Bishnoi等[24]利用聚乙二醇修饰纳米粒子，可以保持SERS基底在高离子强度缓冲液中的稳定性。

2.3 大环化合物修饰的SERS基底

根据超分子化学中的主客体识别方法，选用环糊精、杯芳烃等大环化合物作为主体分子，将其修饰在金属纳米粒子上，主体分子可以与客体分子形成包结化合物，从而拉近客体分子到达金属表面电磁增强区域，进而诱导出具有高增强因子的SERS效应。Zhao研究组[25,26]利用巯基取代环糊精修饰贵金属纳米粒子，对PAHs(芘、蒽、屈、苯并菲以及晕苯)进行了定性鉴别及定量检测。结果表明，其中芘能达到最低的检测浓度，这是由于PAHs的分子尺寸与环糊精内腔大小的匹配作用，同时，分子芘在SERS基底中还充当了一个“分子桥”的作用，环糊精和分子芘形成了主体-客体-主体的结构，连接了两个金属纳米粒子，这样就形成了丰富的SERS “热点”从而使分子芘的SERS信号得到显著增强。Sanchez-Cortes研究组[27,28]先后合成了不同取代基团杯芳烃分子修饰的金属纳米粒子，以二硫代甲酸盐杯芳烃修饰的纳米银粒子为SERS基底，对芘、苯并蒽、苯并菲以及晕苯四种PAHs进行了SERS检测，四种PAHs分子的检测浓度分别可以达到10-8、10-9、 10-8、 10-10mol/L，杯芳烃和晕苯分子之间形成主体-客体-主体结构是晕苯检测浓度最低的主要原因[28]。

2.4 生物大分子修饰的SERS基底

由于大多数生物大分子无法吸附于或者接近金属表面，直接检测因在生物复杂样品中的低选择性和低灵敏度而受到限制。间接检测是将具有免疫识别功能的生物大分子固载到金属表面，通过特异性识别有效捕获复杂环境中的目标分子，利用拉曼标签分子的SERS响应间接检测目标分子。Wang等[29]在金纳米粒子上固载抗体和4-硝基苯硫酚拉曼标签分子，同时在一块金属基板上固载抗体分子，这两者特异性结合血清中的黏液蛋白MUC4，形成金纳米粒子-抗体/MUC4/抗体-金属基板复合物，利用金纳米粒子上修饰的拉曼标签4-硝基苯硫酚的SERS信号实现血清中癌症标记物黏液蛋白MUC4的检测，为胰腺癌的早期诊断和治疗效果提供了一种辅助手段。Johnson等[30]利用抗体修饰金纳米粒子和磁性粒子，实现牛血清中的西尼罗病毒和裂谷热病毒的同时分离检测，检测浓度达到25 fg/mL，灵敏度约是其他方法的200～2 000倍。近年来，人们选用寡核苷酸适配子代替抗体修饰金纳米粒子，相比抗体易变性，容易发生交叉反应等缺点，寡核苷酸适配子更具稳定性、特异性和对蛋白的强吸附力，另外寡核苷酸适配子由于是试管内培养，批次间重现性好[31]。Kim等[32]将一端修饰有拉曼染料标签分子的DNA固载到金纳米粒子上作为检测探针，金纳米线上固载的DNA探针与目标DNA杂交，再与检测探针杂交，拉曼染料标签分子因此处于金纳米颗粒与金纳米线之间形成的SERS “热点”从而产生显著的SERS增强效应，实现对目标DNA的分析检测。

3 基质复合贵金属纳米SERS基底

传统的SERS基底一般都是将纳米溶胶滴加或直接修饰到硅片、铜片或者是玻璃片基板上使用。然而，随着人们对SERS技术理论和实际应用的不断深入研究，在SERS基底方面，从制备灵敏度高、稳定性好、选择性高、制作简单的基底，到拓宽多功能SERS活性材料的要求都日益加深。

3.1 金属及其氧化物

近年来有关新型SERS活性基底的研究中，多种金属或金属氧化物被选作复合基质材料，基质复合形式分为核壳型和固载型。Li等[33]制备出二氧化硅、氧化铝壳层厚度可控的金纳米基底，并将这种由活性金、银纳米粒子核心和超薄壳层组成的核-壳异质结构复合纳米材料SERS增强的方法定义为壳层隔离纳米粒子增强的拉曼光谱技术(Shell-Isloated Nanoparticles Enhanced Raman Spectroscopy,SHINERS)。Au@SiO2纳米粒子因二氧化硅涂层的稳定性、生物兼容性和弱的拉曼散射信号而成为受欢迎的SERS活性基底。具有超薄二氧化硅壳层厚度的Au@SiO2纳米粒子可表现出理想的SERS增强效应,并且二氧化硅壳层可以保护内核金纳米粒子的稳定性,可循环使用。Zhang等[34]使用该Au@SiO2基底实现了食物、生物和环境样品中亚硝酸根离子的定量检测。 随后，Tian课题组又成功制备了只有1.2 nm超薄壳层，并且在碱性环境中能够稳定存在的Au@MnO2基底[35]。过渡金属是电化学、催化和其他表面科学分支最重要的金属材料，合成不同过渡金属壳层的核壳结构纳米粒子Au-Co[36,37]、Au-Ni[37]、Au-Pt[38]、Au-Pd[39 - 41]，可以在过渡金属表面开展SERS研究，从分子水平上深入表征各种表面界面的结构和过程，对表面科学研究具有重要的意义。

另一种研究热点集中于将贵金属纳米粒子固载到具有三维结构的基质材料表面，Tang等[42]通过在垂直排列的ZnO纳米棒表面修饰致密的银纳米粒子制备高灵敏、均一的三维SERS活性基底，能够分别检测10-12mol/L的罗丹明和10-11mol/L的PCB-77，三维结构产生大量的SERS “热点”，提供巨大的表面积吸附目标分子，同时氧化锌半导体材料支撑的化学增强作用使SERS检出限极大地降低。 Fu[43]等和Yang等[44]则在二氧化钛纳米管阵列上修饰致密的金纳米粒子，TiO2对有机化合物的光降解特性使该SERS基底具有自清洁功能，可以实现循环使用。另一方面，将贵金属纳米粒子和磁性材料相结合制备多功能SERS基底的研究已有很多报道[45-47]。例如，Yang等[47]在磁性Fe3O4球表面修饰银纳米粒子，制备的SERS基底在使用过程中利用磁性功能可以很方便的回收并检测。

3.2 碳纳米材料

目前文献报道中，因具有高比表面积和优异的电子、光学、热和机械特性，石墨烯[48，49]、氧化石墨烯[50]、碳纳米管[51]等碳材料作为基质的贵金属纳米复合材料在新型SERS活性基底中有很好的应用前景。碳纳米材料表面含有丰富的羟基、环氧基、羧基等极性官能团，可对碳纳米材料进行改性功能化引入所需官能团，易于实现将目标分子吸附到材料表面。引起人们特别关注的是，部分碳纳米材料由于和吸附分子之间能够发生电荷转移，能够有效促进吸附分子的拉曼信号增强而成为一个有力的SERS基底，由此获得的化学增强可以达到2～17倍[52]。He等[53]通过化学气相沉积法获得石墨烯，再原位还原金纳米粒子，在金纳米粒子/石墨烯复合材料上形成捕获/目标/标记DNA“三明治”夹层，实现了同时对多种DNA分子的高灵敏、高选择性检测，检出限为10 pmol/L。Tang等[54]和Sun等[48]则分别使用聚(N-乙烯基-2-吡咯烷酮)和丹宁酸直接原位还原银纳米粒子制得银纳米粒子/石墨烯SERS活性基底，方法简单。Liu等[55]通过晶种生长法在单壁碳纳米管表面生成了致密且粒径均一的金纳米粒子/银纳米粒子，进一步用硫辛酸修饰聚乙二醇包裹的金属纳米粒子/碳纳米管基底在血清等多种生理环境中稳定使用。而使用叶酸修饰聚乙二醇包裹的金纳米粒子/碳纳米管基底能够定向标记癌细胞中的叶酸受体，实现表面增强拉曼光谱在癌细胞标记和拉曼成像中的应用。碳布是一种由碳纤维均匀编织成的材料，具有高导电性、良好的耐腐蚀性、大的表面积和可折叠性等独特的性能，Zhao等[56]在碳布上修饰Ag纳米粒子，制备的SERS活性基底灵敏度高、重现性好，能检测到10-14mol/L罗丹明6G的信号，碳布上不同点采集的SERS谱图峰位移一致、峰强相近，且碳布经过不同时间的折叠后SERS性能无变化。

3.3 聚合物材料

聚合物基质材料因易于制备、机械韧性好、表面具有丰富官能团而广泛应用于SERS基底中，形式主要有聚合物纳米纤维[57，58]、微球[59]、纳米管[60]，其中以聚合物静电纺丝纳米纤维为主。最近，金属纳米粒子/静电纺丝纳米纤维复合型SERS活性基底已有一些报道，在静电纺丝中固载金属纳米粒子具有粒子致密、均一，易于操作的特点。

Fan等[61]在较低浓度聚乙烯醇作为稳定剂下还原得到高浓度的金/银双金属纳米粒子，随后加大聚乙烯醇的浓度通过静电纺丝工艺得到镶嵌有致密、均一金/银纳米粒子的聚合物纤维。Liu研究组[62]则利用金纳米粒子表面负电荷与聚苯胺纳米纤维表面丰富的带正电氨基官能团之间的静电作用，获得了稳定性好、灵敏度高的SERS活性基底，该方法操作简单。Zhang等[58]使用静电纺丝技术制备聚丙烯腈纳米纤维，聚合物纤维进行表面修饰后通过晶种生长法得到Ag纳米粒子，通过控制粒子的大小和密度获得高活性的SERS基底。He等[63]则直接在Ag溶胶中加入聚(乙烯醇)(PVA)引起Ag纳米粒子的轻微团聚，并利用生物兼容性良好的PVA做主体基质材料，通过静电纺丝技术将具有SERS活性的银纳米粒子二聚体封装在PVA纳米纤维中。聚合物纳米纤维在合适的溶剂中能轻微膨胀，待测小分子可以顺利的进入到聚合物纳米纤维内银粒子聚集体的SERS “热点”区域，并且聚合物能保持银粒子二聚体在SERS检测过程中的聚集状态，该SERS活性基底的灵敏度高、稳定性好。

3.4 纤维素膜

近年来有多篇文章报道了以纸为基质的SERS活性基底的研究，该类型基底具有制备方法简单、成本低、SERS灵敏度高等鲜明的特点。Lee等[64]的研究指出通过简单的将滤纸浸泡到CTAB修饰的金溶胶中即可获得具有SERS活性的基底，纤维素表面具有大量的羟基，带正电的金纳米粒子通过静电作用均匀、致密的吸附到纸的纳米纤维上，该复合材料SERS基底具有很好的稳定性和重现性，即使在水或乙醇的剧烈冲洗下，金粒子的均匀度和密度也不会发生明显变化。

Yu等[65]利用喷墨式打印机在滤纸上打印银粒子，通过编辑矢量图形和控制打印次数，可以快速打印出具有不同图案和银粒子密度的SERS活性基底。同时，滤纸的疏水性处理避免了液滴的扩散，可以有效的在打印出来的SERS活性银粒子图案区域富集待测组分，该SERS基底具有很高的灵敏度和良好的重现性，可以检测到10 fmol的罗丹明6G。由于该制备方法具有前所未见的简单性和快速性，可以随时随地大量制备，消除了常见的SERS基底在存储中出现SERS活性衰减的问题，可以广泛应用于实验室以及野外现场的快速检测工作中。

3.5 壳聚糖

迄今为止，壳聚糖已广泛应用到SERS基底的制备中。Dos Santos等[66]以壳聚糖为稳定剂和反应介质，用乙酸还原得到单分散的金纳米粒子嵌在壳聚糖基质中，该合成方法减缓了还原速率，有助于对还原过程的控制，制备的金纳米粒子单分散性好、粒径范围窄，该复合SERS活性基底具有较高的重现性。Potara等[67]制备了银纳米团簇嵌在壳聚糖基质中的复合基底，固定在壳聚糖上的银纳米粒子团簇内部具有特定的SERS “热点”间隙，同时待测分子可以通过壳聚糖层的纳米空隙扩散到银粒子SERS “热点”间隙，该SERS基底具有很高的灵敏度，可以实现腺嘌呤的单分子检测。Jung等[68]在壳聚糖基质上沉积银纳米粒子，壳聚糖的3维多孔结构为银纳米粒子的大量固载提供丰富的表面积，罗丹明B分子在得到的银纳米粒子-壳聚糖复合基底上具有很好的SERS响应，壳聚糖具有良好的生物兼容性，将该复合基底应用在过敏性皮炎遗传标记物趋化激素CCL17的SERS检测，检测限可以达到5 pmol/L。

Efeoglu等[69]以银纳米粒子为核，包裹厚度为10 nmol/L左右的壳聚糖薄层，将该复合材料直接放置于正在生长中的细菌生物膜上，实时监测生物膜形成过程中的分子组成变化。壳聚糖的存在不仅提供了一个固载和稳定贵金属纳米粒子的基质，还促进了壳聚糖基质、分析物和贵金属纳米粒子之间的交互作用。Luo[70]等提出了根据壳聚糖-分析物相互作用带来的SERS位移进行腺嘌呤定量分析的设想，实验表明腺嘌呤SERS特征峰在735～746 cm-1之间的位移增大与腺嘌呤浓度在1 μmol/L～1 mmol/L之间的下降直接相关，进一步研究提出以下假设，壳聚糖的存在改变了腺嘌呤吸附分子在银纳米粒子上的倾斜角度，导致腺嘌呤SERS位移的变化。

3.6 金属有机骨架

金属有机骨架是由金属离子和有机配体通过配位作用自组装形成的网状骨架结构，因具有比表面积大、结构多样性、孔道尺寸可调及骨架可化学修饰等特点，广泛应用于气体存储、分离、传感、药物传输等领域[71]。Sugikawa等[72]在11-巯基十一烷酸修饰的金纳米棒上生长MOF[Zn4O(bpdc)3]，制备得到金纳米棒和金属有机骨架复合的SERS活性基底，并将该复合材料应用于溶剂分子在MOF纳米孔道交换的原位检测中。随后，他们[73]合成AuNR@MOF-5复合材料，开展实验证明金属有机骨架外壳不仅赋予了这个新型SERS活性基底良好的稳定性和重复使用性，而且还提供额外的分子筛分功能。

Hu等[74]通过在MIL-101上原位还原金纳米粒子的简便方法制备SERS活性基底，金属有机骨架多孔结构上沉积的密集金纳米粒子提供了丰富的SERS活性位点，实验证明由于MOF的高吸附性能和MOF骨架的固定保护作用，该复合SERS基底具有非常高的灵敏度和良好的稳定性，对于罗丹明6G和联苯胺的检出限分别可以达到41.75 和0.54 fmol。该新型SERS活性基底成功应用于环境水中有机污染物对苯二胺和人血清中癌症标志位甲胎蛋白的分析检测，表明在环境和临床样品的检测中有很大的应用前景。

3.7 毛细管

Kim等[75]通过在毛细管内壁原位还原的方法，直接使贵金属纳米粒子沉积在毛细管内壁，制备的SERS基底可以检测到1.0×10-7mol/L的腺嘌呤。另一种常用的方法是先在毛细管内壁修饰一层聚合物，再利用静电作用或配位作用将贵金属纳米粒子固定在内壁。

陈晋等[76]先使毛细管内壁氨基化，提供能够与贵金属纳米颗粒结合的位点，再通过毛细管的毛细作用使金属溶胶吸入毛细管内构建SERS活性基底。随后，他们进一步研究了可循环使用的毛细管SERS基底，他们先在毛细管内壁合成TiO2阵列，在阵列上修饰贵金属纳米粒子，构建的SERS基底兼具取样、SERS活性和自清洁于一体，由于TiO2的光催化降解特性，在紫外光的照射下，该基底可以很快的实现自清洁，在反复使用过程中，SERS基底的性能无太大衰减。Fan等[77]则以多通道毛细管为载体，通过调整毛细管内壁修饰分子的pH、浓度和金纳米粒子固载的时间可以控制毛细管内壁金纳米粒子的固载密度，多通道毛细管结构上沉积的金纳米粒子提供了丰富的高效SERS活性位点，同时多通道毛细管结构有助于目标分子的便携传输和有效捕获，该SERS基底成功应用于环境中吡啶和对硝基苯酚蒸气的快速灵敏检测。

4 结论

分子修饰贵金属纳米粒子和基质复合贵金属纳米SERS基底的种类和数目日益增多，构型趋于多样化，高灵敏度已经不是SERS基底研究的难点，SERS基底的选择性和稳定性有一定程度的提高。然而，基于贵金属纳米颗粒的SERS活性基底的批次间和批次内重现性远不及规则有序纳米结构粗糙表面SERS基底。要将SERS技术作为一种快速实时检测手段在未来社会生产生活中的广泛使用， 新型SERS活性基底有以下几个发展趋势：

(1)规则有序纳米结构粗糙表面制备技术和分子修饰、基质复合方法结合。随着纳米科技技术的快速发展，规则有序纳米结构粗糙表面基底将更易于获得，对其进行分子修饰或复合功能化基质材料，制备的基底具有良好均一性和高灵敏度、选择性。

(2)拓宽功能基质材料的种类，进而调控SERS基底的综合性能从而满足不同的应用需求。

(3)从SERS基底使用的简便性和重复使用效率方面提高SERS基底的总体性能，如制备具有自取样和自清洁功能的SERS基底，SERS基底性能的多样性可以拓展SERS技术的实际应用范围。