厲桂華 張夢雅 馬慧 田悅 焦安欣 鄭林啟 王暢 陳明 劉向東 李爽 崔清強? 李冠華

1) (山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,泰安 271018)

2) (山東大學(xué)物理學(xué)院,濟南 250100)

3) (山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)院濟南市中心醫(yī)院,呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科,濟南 250100)

4) (山東建筑大學(xué)理學(xué)院,濟南 250100)

肌酐是腎臟疾病診斷和監(jiān)測的關(guān)鍵生物標志物,因此,快速、靈敏的肌酐檢測非常重要.本文提供了一種通過提高低溫下的光子誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移效率來促進表面增強拉曼散射光譜(SERS)活性的有效策略.采用種子生長法獲得納米金二十面體(Au20),以此作為SERS 活性基底.采用極低溫(98 K)SERS 檢測技術(shù)實現(xiàn)對染料分子結(jié)晶紫(CV)和生理鹽水中的肌酐含量的快速、靈敏檢測.實驗結(jié)果表明:常溫296 K 下,Au20 基底對CV分子的檢測限(LOD)低至10—12 mol/L,并且信號均勻;低溫98 K 時,CV 分子的LOD 可達10—14 mol/L,比296 K時降低2 個數(shù)量級.最后,使用Au20 基底對生理鹽水中的肌酐進行無標記檢測.結(jié)果表明,常溫296 K 時該SERS 基底對肌酐的LOD 為10—6 mol/L,1619 cm—1 峰的線性相關(guān)系數(shù)為0.9839.低溫98 K 時,肌酐的濃度探測極限低至10—8 mol/L,1619 cm—1 峰的線性相關(guān)系數(shù)變?yōu)?.9973.可知,低溫使肌酐濃度檢測限和特征峰線性度都進一步提高.本文的工作為生物醫(yī)藥領(lǐng)域肌酐濃度的精確檢測提供了新的思路.

1 引言

肌酐水平是各種腎臟和肝臟疾病的重要指標.肌酐水平不足表示肌肉萎縮、肝功能低下和體液流失.相反,肌酐水平高表明患有慢性腎臟疾病[1,2].因此,人體的血清、尿液中肌酐的含量檢測成為腎、肝功能和肌肉萎縮的重要衡量指標,可以篩查人體是否出現(xiàn)或存在這類疾病.尤其在腎病的臨床診斷治療中,肌酐濃度的精確探測是評估腎功能損傷情況的重要指標.如果分析結(jié)果能夠與肌酐濃度成比例,那么將為腎臟狀態(tài)的評估提供重要的參考標準.

在目前的醫(yī)學(xué)實踐中,肌酐的定量測定采用化學(xué)方法較多[3,4].幾種成熟的方法,如比色法、分光光度法和色譜法,已廣泛用于肌酐的檢測[5-7].然而,這些方法涉及樣品處理的很多步驟,需要大量的化學(xué)物質(zhì)和繁瑣的樣品準備.此外,由于其他化合物的存在,這些方法也容易出現(xiàn)人工錯誤和干擾,使結(jié)果不夠準確.近年來,人們越來越關(guān)注表面增強拉曼光譜(SERS)技術(shù)[8,9],它不僅克服了拉曼光譜信號弱對其應(yīng)用的制約,還有效消除了樣品中熒光的干擾,可以提供豐富的分子“指紋”信息,有助于快速、無損、無標記檢測疾病生物標志物,成為未來生化檢測領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一[10-13].

制約SERS 技術(shù)的關(guān)鍵因素在于高性能增強基底的制備.金屬材料特別是 Au,Ag,Cu 等納米構(gòu)型具備獨特的局域表面等離激元共振(LSPR)特性,具有高效可調(diào)的光吸收-轉(zhuǎn)化能力,且在可見-近紅外光輻照下呈現(xiàn)出優(yōu)異的光激發(fā)響應(yīng)性能.LSPR 效應(yīng)產(chǎn)生的局域增強的電磁場,可以顯著增強分子的拉曼信號強度,成為目前SERS 效應(yīng)最強且應(yīng)用最廣泛的基底.目前增強SERS 的辦法主要有以下幾個方面:1)傳統(tǒng)貴金屬材料與新型二維材料[14,15]、半導(dǎo)體等材料相結(jié)合;2)用先進的實驗條件實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的可控制備,構(gòu)筑特殊納米結(jié)構(gòu);3)通過將材料復(fù)合同時滿足分離、富集、降解及光學(xué)成像等多樣化應(yīng)用需求.上述方法對應(yīng)的SERS基底在制備過程中都變得異常繁瑣,而我們另辟蹊徑,采用低溫方式來進一步提高金屬SERS 基底的增強效果[16-18],并取得了不錯的結(jié)果.由于在低溫情況下可以削弱金屬晶格振動并減少熱聲子和光激發(fā)電子的復(fù)合,從而加速電子遷移,有效提高光子誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移效率,最終使SERS 的電磁機制得到加強,即表現(xiàn)為SERS 信號增強,這也驗證了文獻的結(jié)論.

2021 年,Wen 等[19]把自組裝納米Ag/Au@Au復(fù)合薄膜SERS 基底用于人血清肌酐的無標記檢測,結(jié)果表明,該SERS 底物對血清肌酐的LOD為5 × 10—6mol/L,線性相關(guān)系數(shù)為0.96.Zhu 等[20]首先使用一個簡單的溶劑分離步驟,將人類尿液中的肌酐分離出來.然后,采用優(yōu)化的金溶膠為SERS 基底,使用便攜式拉曼光譜儀準確檢測人類尿液中的肌酐濃度.并研究和優(yōu)化了不同凝聚鹽對檢測肌酐濃度靈敏度的影響,以及鹽和金溶膠濃度的影響.最后的LOD 為1.45 mg/L.Kullavadee 和Aroonsri[21]報道,將涂有金膜的納米結(jié)構(gòu)聚電解質(zhì)膜用于無標記和選擇性肌酐檢測.該底物在pH 值處于5—7 的緩沖溶液中表現(xiàn)出良好的肌酐檢測性能.通過在人工尿液中進行肌酐分析,發(fā)現(xiàn)具有寬線性響應(yīng)(1 μmol/L—10 mmol/L)的良好靈敏度和1.47 μmol/L 的低檢測限.此外,還有工作報道,通過將金納米顆粒的LSPR 場捕獲在藍光數(shù)字多功能光盤的納米通道中[22],可以有效引導(dǎo)金納米顆粒的LSPR 場.利用該基底,對稀釋后尿液中的三種重要的臨床化學(xué)物質(zhì),即白蛋白、肌酐和尿素的拉曼信號強度進行了可靠的測量和量化.三者對應(yīng)的最低濃度分別為0.1,0.2 和0.6 μg/mL.Yang課題組[23]報道在金屬有機框架材料上生長Au 納米顆粒,得到了Au@MIL-101(Fe)復(fù)合基底.在靜電作用下,肌酐分子可以進入孔隙中,達到有效富集.該基底對肌酐的LOD 為0.1 μmol/L.總之,研究人員采用了多種辦法來改進SERS 基底,期望獲得血肌酐、尿肌酐檢測的滿意結(jié)果.但是,血清肌酐和尿肌酐的含量檢測主要側(cè)重前期預(yù)防,而在治療過程中,需要關(guān)注生理鹽水中的肌酐含量.另外,測量精度仍需要提高.

本實驗采用Au20作為SERS 基底,以結(jié)晶紫(CV)為探針分子,分別探測了室溫(296 K)和低溫(98 K)時的檢測濃度極限.結(jié)果發(fā)現(xiàn):室溫時,LOD低至10—12mol/L;低溫時,CV 濃度檢測限降低至10—14mol/L.這表明,低溫可以進一步提高檢測精度.接下來,本文仔細對比了296 K 和98 K 下的生理鹽水中的肌酐濃度,發(fā)現(xiàn)低溫下肌酐的特征峰線性度和濃度檢測精度都進一步提高,這為準確測量肌酐濃度提供了新的思路.

2 實驗部分

2.1 Au20 溶液的制備

本實驗通過種子法化學(xué)合成獲得Au20.首先配置0.01 mol/L 氯金酸(HAuCl4,上海國藥,分析純)50 mL,0.01 mol/L 檸檬酸鈉(Na3C6H5O7,麥克林公司,分析純) 20 mL 及0.1 mol/L 硼氫化鈉(NaBH4,上海阿拉丁,分析純) 20 mL.將0.25 mL HAuCl4和0.25 mL Na3C6H5O7混合,磁力攪拌3 min,加入0.3 mL NaBH4,在室溫下靜置3 h,得到粉色液體①.然后配置0.05 mol/L 和0.1 mol/L 的十六烷基三甲基溴化銨(CTAB,上海阿拉丁,分析純)各100 mL,0.1 M 抗壞血酸(AA,麥克林公司,分析純) 20 mL.取1 mL 溶液①和1 mL AA 攪拌10 min,得到紫色溶液②.取1 mL 溶液②、0.2 mL HAuCl4、7 mL CTAB 和0.1 mL AA 攪拌均勻,靜置12 h,得到金二十面體Au20.將產(chǎn)物離心清洗3 次,滴于清洗干凈的硅片上自然晾干,用于CV分子和肌酐分子的SERS 探究.

2.2 金納米顆粒的制備

利用激光液相燒蝕技術(shù)制備金納米顆粒作為對照組.取0.05 mol/L 的CTAB 5 mL,加入去離子水稀釋至10 mL,將Au 靶放入溶液中.用1064 nm激光(設(shè)定電壓900 V,頻率10 Hz)燒蝕Au 靶30 min,得到濃紅色液體用于后續(xù)SERS 性能研究.超聲10 min,以轉(zhuǎn)速4000 r/min 的速度離心15 min,移除上層溶液.將留下的沉淀物清洗兩次,將產(chǎn)物滴在硅片上晾干備用.

2.3 分子溶液的配置

2.3.1 CV(Sigma,分析純)溶液的配置

稱取4.1553 mg CV 固體粉末溶于10 mL 乙醇中,超聲均勻,得到10—3mol/L 的CV 溶液;取1 mL上述CV 溶液溶于9 mL 乙醇中,得到10—4mol/L的CV 溶液.以此類推,通過稀釋,分別獲得10—5—10—14mol/L 的CV 溶液.

2.3.2 肌酐(MCE,分析純)溶液的配置

稱取1.131 mg 肌酐固體粉末溶于10 mL 生理鹽水中,超聲均勻,得到10—3mol/L 肌酐溶液;取1 mL 上述肌酐溶液溶于9 mL 生理鹽水中,得到10—4mol/L 肌酐溶液.以此類推,通過稀釋,分別獲得10—3—10—6mol/L 的肌酐溶液.

2.4 儀器介紹

實驗過程中,利用紫外-可見-近紅外分光光度計(UV-1800,Shimadzu)測量吸收譜,可以表征金屬產(chǎn)物的共振吸收峰.納米結(jié)構(gòu)的表面形貌是在配備X 射線能量色散譜(EDS)的聚焦離子束電子顯微鏡(FIB,Helios G4UC)下進行觀察的.利用高分辨透射電子顯微鏡(TEM,model JEM-2100F)測量微觀形貌及晶格特征.利用X 射線衍射儀(XRD,Smartlab 3 kW)獲得晶格結(jié)構(gòu).SERS 測試采用了50×物鏡的共焦微探針拉曼光譜儀(Renishaw 拉曼光譜儀)采集信號,以Renishaw 高功率二極管連續(xù)532 nm 激光器作為激發(fā)源,到達不同樣品表面功率約為0.5 mW,掃描10 次,每次累積時間為1 s,同時采用Linkam 控溫池進行溫度控制.所有拉曼光譜在后期處理中,均已扣除基線.

3 結(jié)果與討論

首先,采用掃描電子顯微鏡(SEM)對種子法化學(xué)合成的Au20的表面形貌進行了初步表征,如圖1(a)所示,發(fā)現(xiàn)顆粒大小比較均勻.進一步通過粒徑分布去評估顆粒的尺寸及均勻性,如圖1(b)所示,發(fā)現(xiàn)直徑為35—41 nm 的顆粒占比約為60%,這說明Au20的粒徑分布確實比較均勻.圖1(c)為低倍TEM,清晰地顯示Au20的輪廓呈現(xiàn)正六邊形.將圖1(c)中藍框區(qū)域放大得到了HRTEM 圖像(圖1(d)),展示了Au20的結(jié)構(gòu)細節(jié),圖中標注的晶格條紋0.235 nm 對應(yīng)于Au 的(111)晶面,并且在面與面之間形成清晰的孿晶缺陷.

圖1 (a) Au20 的SEM;(b)粒徑分布;(c) Au20 的TEM;(d) Au20 的高分辨率HRTEMFig.1.(a) SEM image of Au icosahedron;(b) statistics of particle size distribution of Au icosahedron;(c) TEM image of Au icosahedron;(d) HRTEM of Au icosahedron.

作為對照,采用激光燒蝕的方法獲得了形狀均勻的金球顆粒,粒徑分布集中在35—45 nm 范圍內(nèi).圖2(a)是較低倍數(shù)下金球的整體形貌SEM 圖,低放大倍數(shù)下的TEM(圖2(b))清晰地顯示合成的金納米顆粒具有良好的分散性.接下來對金球和Au20的紫外-可見-近紅外吸收光譜進行表征,發(fā)現(xiàn)它們的LSPR 共振峰分別位于526 和533 nm.通常,當(dāng)選用與貴金屬納米顆粒表面LSPR 共振峰相匹配的入射光激發(fā)時,就能激發(fā)其LSPR 特性,從而導(dǎo)致納米顆粒附近,特別是顆粒之間的間隙區(qū)域產(chǎn)生較高的局域電場,進而能夠?qū)崿F(xiàn)較大的電磁增強區(qū)域即“熱點”區(qū)域的構(gòu)建[24-27],Chen 課題組[28-30]大量的實驗結(jié)果也已驗證了這一點.基于此,在后續(xù)的拉曼測試過程中,選用與兩種金納米結(jié)構(gòu)LSPR峰均匹配的532 nm 的激光作為激發(fā)光源.

圖2 (a)金球的SEM;(b)金球的TEM;(c)金球和Au20 的紫外-可見-近紅外吸收光譜Fig.2.(a) SEM image of Au particles;(b) TEM image of Au particles;(c) UV-vis-IR absorption spectra of Au particles and Au icosahedron.

將金球基底和Au20基底分別浸泡于1 mL 濃度為10—7mol/L 的CV 溶液中,自然晾干,室溫下進行SERS 性能測試,對比結(jié)果如圖3 所示.結(jié)果顯示,在600—1800 cm—1范圍內(nèi),以Au 球和Au20作為SERS 基底,都可以實現(xiàn)CV 所有特征峰的精確識別,與以前的報道結(jié)果一致[31-33].其中,位于729和761 cm—1處的特征峰歸因于環(huán)C—H 的彎曲;808,918 和1179 cm—1處的峰與環(huán)C—H 的面內(nèi)變形模式和彎曲振動有關(guān);1378 和1619 cm—1處的特征峰來源于環(huán)平面內(nèi)C—C 和N—苯基的拉伸振動.此時,以1619 cm—1處對應(yīng)的特征峰的強度進一步評估兩種基底對SERS 信號的增強程度.很明顯,以Au20為基底,其特征峰對應(yīng)的SERS 強度可以達到12000 arb.units,約為Au 球基底對應(yīng)SERS 強度的2 倍.為了進一步驗證其增強機制,本文利用COMSOL 軟件進行時域有限差分(FDTD)模擬,研究了單個金球和單個Au20表面的相對電場強度(|E|/|E0|,即電場|E|與入射電場|E0|的比值).根據(jù)SERS 實驗中使用的激光波長,FDTD 模擬的入射波長為532 nm,根據(jù)圖1(c)和圖2(b)的結(jié)構(gòu)詳情本文將金球直徑設(shè)置為37 nm,Au20邊長設(shè)為18 nm.在相同的色標上記錄相對強度進行對比,圖4(a)和圖4(b)分別給出了兩個樣品在LSPR激發(fā)下的局域電場分布情況.顯然,在Au20的棱角處展現(xiàn)出更強的相對電場強度,更利于熱點的構(gòu)建,從而更有利于SERS 活性的提高,結(jié)論與圖3中的實驗結(jié)果一致.基于此,再次證明Au20結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性,以此作為SERS 基底,有望實現(xiàn)對特定分子的超痕量檢測.

圖3 濃度為10—7 mol/L 的CV 分子分別在金球基底和Au20基底上的SERS 圖譜Fig.3.Raman spectra of CV molecules with concentration of 10—7 mol/L on gold sphere and Au icosahedron substrates respectively.

圖4 時域有限差分(FDTD)模擬的相對電場強度 (a)金球;(b) Au20Fig.4.FDTD calculations of relative electric field intensities for longitudinal and transverse plasmon excitation of individual:(a) Au particles;(b) Au20.

在常溫下以Au20為基底,探究了CV 的SERS 最低LOD,測得的光譜如圖5(a)所示.CV 分子濃度從10—6mol/L 降至10—12mol/L,光譜的特征峰位置基本保持不變,強度降低.例如,位于1619 cm—1處的特征峰強度從10—6mol/L 對應(yīng)的21770 arb.units下降到了10—12mol/L 對應(yīng)的390 arb.units.讓人欣慰的是,即使 CV 分子的濃度低至10—12mol/L,其主要特征峰還是能被探測到.因此,常溫下Au20對CV 的SERS 最低檢測極限約為10—12mol/L.由于圖5(a)后半段的峰重疊較多,為了清晰地展示峰強度隨濃度的變化,圖5(c)列出了1536,1587和1619 cm—1峰的強度值.此外,進一步對Au20基底的均一性進行探究,選用濃度為10—7mol/L 的CV分子對隨機采集的20 個點的SERS 光譜進行分析,見圖5(b).同時,圖5(d)給出了1536,1587 和1619 cm—1峰在這20 個點處對應(yīng)的強度值,數(shù)據(jù)顯示主要特征峰的強度變化幅度不大,說明基底比較均勻,為后期SERS 性能的探究提供了保障.

圖5 (a)不同濃度(10—6—10—12 mol/L)的CV 分子SERS 光譜;(b) 10—7 mol/L 的CV 分子隨機采集20 個點的SERS 光譜;(c)對應(yīng)圖(a)中3 個峰的強度值;(d)對應(yīng)圖(b)中3 個最高峰的強度變化曲線Fig.5.(a) SERS spectra of CV molecules with different concentrations (10—6—10—12 mol/L);(b) SERS spectra of 20 points of CV molecule (10—7 mol/L) randomly collected;(c) intensity values of the three peaks in panel (a);(d) variation curve of the intensity values of the three peaks in panel (b).

已有研究報道[16-18,34],采用低溫條件可以有效地減弱晶格的熱振動,減少聲子的釋放,在一定程度上抑制聲子和電子的相互作用,從而有更多的電子參與局域等離激元共振,進而提高電磁增強效果.為了驗證這一點,本文采用較高濃度(10—7mol/L)的CV 分子為探針分子,詳細地進行了溫度依賴的拉曼光譜檢測.首先在常溫下采用掃描模式,隨機測試了20 個點,結(jié)果顯示CV 特征峰的強度變化很小,說明基底比較均勻.液氮凍結(jié)的周圍溫度可以從室溫(296 K)快速轉(zhuǎn)變?yōu)闃O低溫98 K,接下來的實驗中,低溫控制至98 K.如圖6(a)所示,不同顏色的拉曼光譜直觀地反映了不同溫度下CV 特征波段的粗略演化.圖6(b)的拉曼譜線顯示了913,1176,1370,1586 和1619 cm—1處CV 分子的特征譜帶.從296 K 到98 K,CV 的拉曼振動峰強度隨溫度的降低呈現(xiàn)增加趨勢.特別是在低溫98 K 時,1619 cm—1處的信號強度約為28850 arb.units,比常溫增強約2.3 倍;913 cm—1處的信號強度約為7600 arb.units,比常溫增強約2.6 倍.這種獨特的線性關(guān)系,非常適用于環(huán)境監(jiān)測中對CV 分子精確濃度的超靈敏探測.

圖6 (a) 降溫條件下CV (10—7 mol/L)對應(yīng)的SERS 光譜;(b)不同溫度時特征峰的強度變化Fig.6.(a) SERS spectra corresponding to CV (10—7 mol/L) under cooling condition;(b) intensity variation of characteristic peaks at different temperatures.

上述低溫SERS 優(yōu)于常溫的實驗結(jié)果,歸因于低溫條件削弱晶格熱振動可以有效地減少聲子輔助弛豫,抑制光子觸發(fā)電子和晶格振動誘導(dǎo)的熱聲子的復(fù)合[35-37].聲子輔助的非輻射復(fù)合可以明顯減少參與光子誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移過程的光誘導(dǎo)電子的數(shù)量.因此,可以促進更多電子參與到局域電場的構(gòu)建,實現(xiàn)物理增強.同時也增加了激發(fā)電子的密度進而優(yōu)化了與附著分子之間的遷移概率,從而促進化學(xué)增強.

采用XRD 對溫度變化下的Au20的晶相變化進行分析,如圖7(a)所示.室溫296 K 和低溫98 K時Au20納米晶體結(jié)構(gòu)的XRD 衍射圖均呈現(xiàn)面心立方結(jié)構(gòu).圖7(b)給出了Au20在常溫和低溫下的峰位和最大半峰寬的對比數(shù)據(jù).與296 K 時的初始晶體結(jié)構(gòu)相比,低溫98 K 時的峰位有輕微偏移(見圖7(a)插圖),具體偏移角度在0.08°—0.16°范圍內(nèi).由半峰寬的數(shù)據(jù)可知,半峰寬最大減小量為0.067,峰形變得更尖銳.這表明低溫條件對晶體相變的影響不顯著,但是使Au20的結(jié)晶度高了,從而使SERS 的電磁機制得到增強.

圖7 (a) Au20 不同溫度條件下的XRD(插圖是衍射峰(311)和(222)的放大圖);(b) 與XRD 對應(yīng)的衍射峰的位置和半高寬Fig.7.(a) XRD of Au20 at different temperatures (inset:the enlarged view of XRD peak at (311) and (222));(b) the table of diffraction peaks position and FWHM in XRD at different temperatures.

上述實驗結(jié)果表明,低溫條件能夠顯著增強SERS 效果,故本文在最優(yōu)SERS 活性對應(yīng)的溫度條件(低溫98 K)下進一步探究了Au20基底對CV分子的濃度檢測極限,結(jié)果如圖8(a)所示.隨著濃度的降低,特征峰的強度顯著降低,當(dāng)濃度達到10—14mol/L 時,仍然能夠看到CV 的主要特征峰.因此,本實驗利用低溫SERS 技術(shù)可實現(xiàn)對CV 分子低至10—14mol/L 的檢測限.以1173 和1619 cm—1處的峰強度為因變量,以CV 溶液濃度為自變量,圖8(b)對它們之間的數(shù)量關(guān)系進行了研究分析,經(jīng)過對數(shù)線性擬合可以得到以下兩個方程:

圖8 (a) 低溫98 K 時不同濃度(10—8—10—14 mol/L)的CV 分子的SERS 光譜;(b) 1173 和1619 cm—1 特征峰的SERS 強度與CV分子濃度的線性關(guān)系Fig.8.(a) SERS spectra of CV molecules with different concentrations (10—8—10—14 mol/L) at low temperature 98 K;(b) SERS intensity of 1173 and 1619 cm—1 peaks proportional to the concentration of CV molecule.

1173 cm—1處:I1173=569.19 lgC+7604.26(線性系數(shù)R2=0.8719),

1619 cm—1處:I1619=1848.12 lgC+25146.56(線性系數(shù)R2=0.9277).

所建立的線性關(guān)系將為精確評估環(huán)境監(jiān)測中CV 殘留和基于CV 的環(huán)境污染提供良好的理論支撐.

本實驗中,基于上述討論的Au20基底表現(xiàn)出優(yōu)異的SERS 性能,下面以Au20作為SERS 基底,探究常溫和低溫下其對肌酐分子的SERS 增強行為,如圖9 所示.圖9(a)給出了常溫SERS 測試結(jié)果,肌酐位于 610,916,1178,1310,1361,1509,1587,1619 和1648 cm—1處的特征峰被清晰地標示,為臨床診斷提供了豐富的“分子指紋”信息[38].其中,610 cm—1峰歸結(jié)于N—CH3拉伸和C=O 變形及環(huán)振動;806 cm—1歸結(jié)于C—NH2變形與環(huán)振動;916 cm—1處的特征峰來源于C—N 拉伸;1178 cm—1歸因于CH2的面外扭曲變形;1300—1600 cm—1主要是由CH2的面外搖擺、CH3的面外搖擺和面外扭曲變形導(dǎo)致的;而在1600—1700 cm—1的區(qū)域內(nèi),位于1619 cm—1處的SERS 信號峰與NH2和OH2的彎曲振動模式有關(guān).隨著肌酐濃度從10—3mol/L降低到10—6mol/L,其特征峰的強度也隨之降低.本文選取1178 和1619 cm—1特征峰的SERS強度來分析其與肌酐分子濃度對數(shù)的線性變化關(guān)系,如圖9(b)所示,兩條擬合直線的線性系數(shù)分別為0.9839 和0.8675.保持肌酐分子的探測濃度范圍(10—3—10—6mol/L)不變,進一步探究低溫條件下其SERS 活性的變化,相應(yīng)結(jié)果如圖9(c)所示.將圖9(c)與圖9(a)對比,發(fā)現(xiàn)每個濃度對應(yīng)的信號強度明顯變大,并且峰形更尖銳,隨著濃度的減小,特征峰的變化更具有規(guī)律性.即使肌酐濃度低至10—6mol/L,其特征峰依然清晰可辨.同樣選取1178 和1619 cm—1兩個特征峰,分析強度與濃度對數(shù)的線性關(guān)系,發(fā)現(xiàn)相應(yīng)兩條直線的線性系數(shù)分別為0.9973 和0.9861.根據(jù)1178 cm—1對應(yīng)的線性關(guān)系可知,肌酐的濃度檢測極限可達10—8mol/L.較常溫下,不僅濃度的測量極限進一步降低,而且測量精度大大提高.因此,以Au20為SERS 基底,通過低溫手段可以進一步促進肌酐分子SERS 活性的提高,并且SERS 光譜展現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,為肌酐分子濃度的準確探測提供了依據(jù),該結(jié)果有希望應(yīng)用于臨床檢測中肌酐的定量檢測.

圖9 不同濃度(10—3—10—6 mol/L)的肌酐分子的SERS 光譜 (a) 296 K;(c) 98 K.1178 和1619 cm—1 特征峰強度與肌酐分子濃度的線性關(guān)系 (b) 296 K;(d) 98 KFig.9.SERS spectra of creatinine molecules at different concentrations (10—3—10—6 mol/L):(a) 296 K;(c) 98 K.The variation of the intensity of peaks at 1178 and 1619 cm—1 versus different the molecular concentration of creatinine:(b) 296 K;(d) 98 K.

4 結(jié)論

總之,本文提供了一種通過低溫手段提高光子誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移效率來促進Au20表面增強拉曼散射光譜活性的有效策略.采用的98 K 低溫可以有效地抑制光子觸發(fā)電子和晶格振動引起的熱聲子的復(fù)合.CV 染料分子在常溫296 K 時,濃度探測極限為10—12mol/L;低溫98 K 時探測濃度低至10—14mol/L.采用相同的方法對生理鹽水中的肌酐進行無標記檢測.結(jié)果表明,在常溫296 K 時,該SERS 底物對肌酐的檢測限為10—6mol/L,1619 cm—1峰對應(yīng)的線性相關(guān)系數(shù)為0.9839.低溫98 K 時,肌酐的濃度探測極限低至10—8mol/L,1619 cm—1峰的線性相關(guān)系數(shù)變?yōu)?.9973.可知,低溫下Au20基底對肌酐濃度的探測能力和精度較常溫下都大幅提高,綜上所述,目前的工作為肌酐分子濃度的準確探測提供了更可靠的方案.