徐志豪, 徐丹瑤, 李 彥, 王 璐

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620; 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室, 上海 201620)

作為一種非侵入式光譜技術(shù),表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)因其無標(biāo)記和指紋檢測能力可以追蹤極低濃度(甚至是單分子檢測)的分析物,而被廣泛應(yīng)用于食品分析、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。Fleischmann等[1]在1974年首次提出了表面增強(qiáng)拉曼現(xiàn)象,隨后SERS效應(yīng)被Van Duyne[2]及Creighton[3]證實,并計算出粗糙銀電極表面的單層吡啶分子的拉曼信號增強(qiáng)了105～106倍。關(guān)于SERS的增強(qiáng)機(jī)制,目前普遍認(rèn)為是電磁增強(qiáng)和化學(xué)增強(qiáng)的共同作用。其中電磁增強(qiáng)是SERS信號的主要貢獻(xiàn)者,主要是由入射光照射納米顆粒(NPs)時傳導(dǎo)電子的集體振蕩引起的,稱為表面等離子體共振效應(yīng)(SPR)[4]。SPR使得金屬表面的局域磁場增強(qiáng),引起電子之間的交互作用,增大分子散射界面,從而增強(qiáng)拉曼信號,理論上電磁增強(qiáng)可以達(dá)到1010～1011倍?；瘜W(xué)增強(qiáng)主要是被測分子與SERS基底表面的相互作用,產(chǎn)生的電荷遷移增加了吸附分子的極化率,從而改善了分子的散射截面,增強(qiáng)了拉曼信號[5]。

SERS基底通常由2個部分組成:一是可引起表面等離子體共振效應(yīng)的SERS活性材料,吸附并增強(qiáng)分析物的拉曼信號;二是基體材料(基材),用于負(fù)載SERS活性材料。理想的SERS基底需要擁有大量的高密度熱點(diǎn),具有良好的均勻性、信號重現(xiàn)性和高增強(qiáng)因子。固體基材是最常見的SERS基底,可分為剛性和柔性基材。其中,剛性基材多以玻璃[6]、石英[7]、硅片[8]等構(gòu)成,因不易彎曲、易碎,使其在復(fù)雜環(huán)境或曲面上檢測時存在局限性。相較之下,柔性基材具有取樣方便、可批量生產(chǎn)、可切割成所需尺寸和形狀等優(yōu)勢,在實際檢測應(yīng)用中優(yōu)勢更為突出。

目前,圍繞柔性SERS基底的構(gòu)建,國內(nèi)外研究者已開展了大量的研究,如纖維素濾紙[9-11]、聚合物薄膜[12-14]等材料已相繼被應(yīng)用到SERS傳感器。然而,納米粒子的負(fù)載量較低、拉曼信號強(qiáng)度波動大及靈敏度不足等問題,使得大多數(shù)柔性SERS傳感器仍處于實驗室水平,實際應(yīng)用受限[15]。近年來,靜電紡納米纖維因其具有獨(dú)特的三維曲孔通道、比表面積大、孔隙率高和堆砌密度可控等特點(diǎn),不僅可為NPs的負(fù)載提供大量位點(diǎn),還有利于待測分子的捕獲與傳輸,為提高檢測性能提供了可能,因此,以納米纖維為基材持續(xù)優(yōu)化SERS基底的檢測性能是當(dāng)前傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文從納米纖維基SERS基底的組成入手,介紹了基底構(gòu)建的原位組裝和后組裝2種策略,總結(jié)了納米纖維基SERS基底性能的影響因素,包括顆粒負(fù)載形式、納米纖維種類及其形貌,最后展示了納米纖維基底在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 SERS基底的組成與性能評價

1.1 貴金屬納米活性材料

由于電磁增強(qiáng)機(jī)制是拉曼信號增強(qiáng)的主要貢獻(xiàn)者,因此,具有SPR效應(yīng)且制備工藝簡單的貴金屬活性材料已廣泛應(yīng)用于SERS基底制造,如金(Au)和銀(Ag)。金屬陽離子還原法是最通用的制備金屬NPs方法,如使用硼氫化鈉(NaBH4)還原硝酸銀(AgNO3)[16]和檸檬酸鹽還原氯金酸(HAuCl4)[17],通過控制反應(yīng)溫度、濃度和離子強(qiáng)度,可以控制NPs的尺寸、形狀、粒子間距離、聚集特性和表面電荷特性等參數(shù),進(jìn)而調(diào)控NPs的SERS活性。SERS效應(yīng)依賴于分子與金屬NPs表面之間的相互作用,當(dāng)被測分子靠近孤立的NPs上的尖銳邊緣和頂點(diǎn)或在NPs之間的間隙(稱為“熱點(diǎn)”)處時,被測分子的拉曼信號會大大增加。圖1為SERS增強(qiáng)機(jī)制示意圖。除常規(guī)的球形NPs外,其它形態(tài)的納米結(jié)構(gòu),包括納米棒[18]、納米立方體[19]和納米線[20]等也已被開發(fā)用于制造SERS活性材料。

圖1 SERS中電磁和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制示意圖

1.2 靜電紡納米纖維基材

靜電紡絲是制備納米纖維的常用技術(shù),具有可紡材料種類豐富、裝置簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。通過控制電壓、溶液流速、周圍濕度和溫度,以及噴嘴尖端與收集裝置之間的距離等紡絲參數(shù),可以制備不同形態(tài)(取向、多孔、核殼等)的納米纖維[21]。根據(jù)纖維組成成分的不同,納米纖維大致可分為有機(jī)和無機(jī)納米纖維。有機(jī)納米纖維通常是由聚合物經(jīng)溶解/熔融制備成紡絲液后紡絲獲得,而無機(jī)納米纖維是由前驅(qū)體溶液在紡絲后經(jīng)高溫煅燒去除有機(jī)相后得到。

具有三維曲孔結(jié)構(gòu)的納米纖維與NPs組裝后制備的SERS基底與其它基底相比有著以下優(yōu)勢:一方面為基底提供了更為優(yōu)異的SERS性能,包括更多的熱點(diǎn),更高的激光利用效率;另一方面賦予基底優(yōu)異的樣品預(yù)處理優(yōu)勢,SERS基底在Z軸方向上的延伸可顯著增加整體表面積以加載更多的NPs作為熱點(diǎn),并在靠近熱點(diǎn)區(qū)域吸附更多的目標(biāo)分子。

1.3 SERS基底的性能評價指標(biāo)

SERS基底性能的評價指標(biāo)包括:增強(qiáng)因子(EF)、靈敏度、重現(xiàn)性等。EF是評價SERS基底檢測性能的重要參數(shù)之一,其定義為每個表面分子貢獻(xiàn)的SERS強(qiáng)度與每個自由分子貢獻(xiàn)的普通拉曼強(qiáng)度之比[22]。增強(qiáng)因子通常由平均SERS信號增強(qiáng)來計算。

式中:ISERS和IRS分別為SERS和普通拉曼信號強(qiáng)度;NSERS和NRS分別為SERS中激發(fā)的分子數(shù)和在經(jīng)典拉曼中激發(fā)的分子數(shù)。EF值越高表明基底的增強(qiáng)效應(yīng)越好,可用來估計不同基底的SERS靈敏度。靈敏度是指基底能檢測到的最低濃度的待測物,又稱檢測限度,在實際應(yīng)用中SERS基底的最低檢測限度比EF更有意義。重現(xiàn)性作為拉曼信號的另一個重要指標(biāo),反映了基底檢測能力是否穩(wěn)定可靠,以在相同實驗條件下通過對基底多個位置的SERS特征峰的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)作為評價指標(biāo),若需滿足實際應(yīng)用要求,SERS基底的RSD值一般小于20%[23]。

2 SERS基底的構(gòu)建方法

2.1 原位自組裝法

原位自組裝既可以將紡絲液與預(yù)先制備好的NPs共混后通過靜電紡絲技術(shù)一步法制備,也可以將金屬鹽溶液與紡絲液共混紡絲后,再將金屬鹽還原成金屬NPs。He等[24]將預(yù)先用微波輻射法制備的銀納米顆粒(AgNPs)與聚乙烯醇(PVA)紡絲液共混后制備復(fù)合納米纖維,結(jié)果表明添加不同濃度的AgNPs后,Ag會在纖維內(nèi)相互團(tuán)聚,形成聚集體;PVA可以保護(hù)Ag聚集體不受外界環(huán)境干擾,小分子待測物仍然可以滲透到納米纖維中,基底的EF值達(dá)1.0×109。為進(jìn)一步提高金屬顆粒在紡絲液中的穩(wěn)定性與分散性,可將聚吡咯烷酮(PVP)等穩(wěn)定劑添加至紡絲液中。Shi等[25]將PVP包裹的AgNPs與聚己內(nèi)酯(PCL)紡絲液混合制備Ag/PCL納米纖維基底,該基底具有優(yōu)異的檢測再現(xiàn)性,RSD值小于9%。

區(qū)別于NPs的直接共混,由金屬鹽溶液還原制得的NPs不僅分布在納米纖維內(nèi)部,還可分布在整個纖維介質(zhì)中。Cao等[26]將HAuCl4混合到PVA紡絲液中,以檸檬酸鈉還原得到金納米顆粒(AuNPs)后進(jìn)行紡絲。PVA為聚合物主體,同時還可發(fā)揮顆粒穩(wěn)定劑作用,使得高濃度的AuNPs在納米纖維中分布均勻,隨著紡絲液中HAuCl4含量的增加,纖維中AuNPs數(shù)量增加,顆粒間的距離也逐漸縮小。由此可知,除還原劑外,紡絲液中還需加入分散劑來調(diào)節(jié)NPs的分布,以免因還原劑與分散劑殘留造成靈敏度損失。相比之下,無需額外添加還原劑的綠色還原方法成為納米纖維基SERS基底構(gòu)建的更優(yōu)之選。Karagoz等[27]將AgNO3和二氧化鈦(TiO2)粉末添加到PCL紡絲液中,紡絲溶劑N,N-二甲基甲酰胺可直接將Ag+還原,得到了TiO2和AgNPs改性的PCL基底。該基底具有良好的SERS檢測活性,TiO2的光催化降解性能還使得基底具有良好的可重復(fù)使用性。

此外,通過一些特殊的還原方法也能將基材中的金屬離子還原。等離子體處理是一種簡單、綠色、低成本的納米纖維基SERS基底原位制造技術(shù),利用等離子體中的活性物質(zhì)可將金屬離子直接還原成金屬NPs。Bai等[28]用氬氣等離子體處理將AgNO3/聚丙烯腈(PAN)納米纖維上Ag+原位還原成AgNPs,通過控制等離子體刻蝕時間,可以調(diào)節(jié)纖維膜上AgNPs的尺寸和顆粒間的距離,優(yōu)化基底的增強(qiáng)效應(yīng)。該團(tuán)隊還使用空氣等離子體處理HAuCl4/PAN納米纖維,成功制備了AuNPs修飾的SERS基底,該方法有望推廣至其它類別的貴金屬NPs的還原反應(yīng)中。

2.2 后整理組裝法

由于待測分子需要與NPs接觸才能發(fā)揮SERS效應(yīng),因此,NPs在纖維上的負(fù)載形式會影響基底的檢測性能。負(fù)載在納米纖維內(nèi)部的NPs,由于纖維將NPs包裹,與待測分子的接觸不充分,拉曼信號通常較弱。相較之下,通過后整理組裝策略負(fù)載在纖維表面的NPs可與待測分子充分接觸,使信號有效增強(qiáng)。現(xiàn)有的后整理組裝方法通常分作2類:一種是直接將NPs沉積在納米纖維上;另一種則是將納米纖維浸泡在金屬鹽溶液中,再通過后續(xù)還原工藝得到NPs。通過熱蒸發(fā)和浸漬沉積等物理沉積方法在納米纖維表面沉積一層金屬NPs,可以制備具有厚度可控和顆粒均勻密集的SERS基底。Chamuah等[29]利用熱蒸發(fā)技術(shù)在PVA納米纖維膜上沉積了厚度為30 nm的Au膜,用于制備SERS柔性基底,該基底的EF值為1.48×106。Liu等[30]將帶正電的AuNPs通過靜電相互作用組裝在聚酰胺酸(PAA)/PVA納米纖維上,制得的PAA/PVA-AuNPs基底熱點(diǎn)豐富,基底EF值約為1.2×105,RSD值為5.6%。

在液相條件下,利用還原劑將金屬離子在納米纖維上還原成NPs是一種工藝較為簡單、應(yīng)用范圍廣的組裝方法。然而,原位生長的NPs存在易受外界環(huán)境干擾、穩(wěn)定性不足等問題。為獲得具有高靈敏度和良好穩(wěn)定性的納米纖維基底,研究人員嘗試通過氫鍵、化學(xué)鍵等多種方法來提高NPs在纖維表面負(fù)載的穩(wěn)定性。Amarjargal等[31]采用靜電紡絲和多元醇浸漬的二步法,成功地在聚氨酯(PU)納米纖維上原位生長AgNPs,乙二醇通過分子間氫鍵與PU連接并將銀氨絡(luò)合離子固定在纖維上,使得AgNPs在PU納米纖維表面均勻生長,與NPs分布在纖維內(nèi)部的PVA/AuNPs基底[26]相比,AgNPs/PU基底檢測靈敏度提高了3個數(shù)量級。Kong等[32]將靜電紡絲制備的PAA納米纖維浸入AgNO3溶液后還原,隨后通過熱處理將PAA轉(zhuǎn)化為聚酰亞胺(PI)制備Ag/PI基底,Ag+與羧酸基團(tuán)偶聯(lián)形成聚羧酸銀,稱為離子交換;此外,Ag+與PAA分子中的官能團(tuán)之間發(fā)生了強(qiáng)烈的共價鍵相互作用,稱為離子絡(luò)合,通過不斷重復(fù)離子交換/離子絡(luò)合和還原過程,AgNPs可以均勻且密集地組裝在纖維表面。

3 納米纖維基SERS基底性能影響因素

3.1 納米纖維種類

如前文所述,目前可用于SERS基底制造的靜電紡納米纖維可分為有機(jī)和無機(jī)納米纖維2類。聚合物納米纖維主要是作為NPs的載體,為顆粒的組裝提供活性位點(diǎn)及捕獲待測分子;而無機(jī)納米纖維可與NPs發(fā)揮協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)并發(fā)揮出新的功能。

對有機(jī)納米纖維而言,其表面潤濕性與SERS信號息息相關(guān)。疏水性纖維可以將NPs集中到疏水表面的有限區(qū)域,實現(xiàn)NPs的密集分布,增強(qiáng)SERS信號。此外,疏水性纖維膜為吸附樣品提供了良好的平臺,克服了低濃度待測物在溶液中的擴(kuò)散極限,使得待測物在局部范圍可有效聚集,進(jìn)而提高檢測的靈敏度,從而進(jìn)一步提高SERS基底的檢測限,因此,疏水性纖維基底一般用于極低濃度的樣品檢測。而親水性纖維基底吸收樣品溶液后待測分子會發(fā)生擴(kuò)散,影響檢測結(jié)果,因此,親水性纖維基底用于濃度較高的樣品檢測。Shao等[33]制備了疏水且柔韌的聚苯乙烯共丁二烯(SB)纖維膜,將AgNPs溶液滴加在SB上,干燥后得到Ag/SB基底。SB疏水薄膜不僅有利于AgNPs的聚集,還避免了擴(kuò)散的咖啡環(huán)效應(yīng)發(fā)生,均勻性提高。與AgNPs/親水性濾紙基底相比,Ag/SB基底的檢測靈敏度提高了10倍,能檢測到10-9mol/L的羅丹明6G(R6G),信號穩(wěn)定性也表現(xiàn)優(yōu)異(RSD值約為8.12%)。此外,折疊100次后,Ag/SB基底的形狀和拉曼信號沒有明顯變化,表明基底柔韌性和重現(xiàn)性優(yōu)異。左旋聚乳酸(PLLA)也是一種常用于SERS基底制造的疏水性聚合物。Shao等[34]闡述了通過PLLA納米纖維和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)分子之間的強(qiáng)靜電相互作用構(gòu)筑基底的方法。被CTAB包覆的金納米棒(AuNRs)可以被有效地固定在PLLA納米纖維上,從而產(chǎn)生局部親水的熱點(diǎn)區(qū)域,這種局部親水的AuNRs-PLLA可有效限制分析物分子并防止其隨機(jī)擴(kuò)散,作為SERS底物靈敏度高、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性佳,可檢測低至1.0×10-8mol/L的R6G和孔雀石綠,RSD值約為8.0%。

除金屬材料外,半導(dǎo)體材料因具有良好的光譜穩(wěn)定性以及高效的電荷/能量轉(zhuǎn)移等結(jié)構(gòu)特征也成為了潛在的SERS活性元件[35],然而較低的增強(qiáng)效應(yīng)嚴(yán)重限制其單獨(dú)應(yīng)用于SERS的可能。為此,研究人員利用靜電紡絲技術(shù)將金屬氧化物材料加工成無機(jī)納米纖維,開發(fā)了兼具高增強(qiáng)能力和半導(dǎo)體高穩(wěn)定及選擇性的SERS基底。氧化銅(CuO)、TiO2等金屬氧化物是SERS基底中研究最多的半導(dǎo)體材料之一。Wang等[36]將AgNO3/硝酸銅/PVP溶液利用靜電紡絲與煅燒工藝結(jié)合制備了CuO-Ag雙金屬納米纖維,通過煅燒去除PVP,形成了含有Ag和CuO的三維多孔納米纖維。當(dāng)CuO與AgNPs連接時,電荷會從CuO轉(zhuǎn)移到Ag,從而產(chǎn)生更大的電磁場,AgNPs在激光照射下會激發(fā)更穩(wěn)定和更強(qiáng)烈的局部SPR,顯著提升基底的增強(qiáng)效果和檢測性能,即使在1.0×10-8g/mL的質(zhì)量濃度下也能檢測到偶氮苯,RSD值約為2.3%。除增強(qiáng)SERS效應(yīng)外,無機(jī)材料自身具有的催化活性、抗菌活性等,為多功能基底的制造提供了理想的材料。利用TiO2的光催化和抗菌功能,還可制備具有自清潔能力和抗菌活性的可重復(fù)使用的SERS基底。Zhao等[37]在TiO2靜電紡納米纖維上通過后組裝負(fù)載了AgNPs,得到的基底具有良好的SERS增強(qiáng)效應(yīng),EF值達(dá)5.62×106。此外,將基底浸泡在氧氣飽和水溶液中經(jīng)紫外光照射后,待測分子會在TiO2表面發(fā)生降解,拉曼特征峰隨之消失。對不同的目標(biāo)分析物進(jìn)行測試,如4-巰基苯甲酸(4-MBA)、R6G和對氨基硫酚(4-ATP),結(jié)果表明待測分子降解后重新負(fù)載,其拉曼特征峰相對強(qiáng)度由0恢復(fù)到100%,說明TiO2/Ag是一種經(jīng)濟(jì)高效、可重復(fù)利用的SERS活性基底。

3.2 納米纖維結(jié)構(gòu)

除纖維組成外,不同形貌的納米纖維基底對于SERS檢測性能的影響也是不同的。具有三維曲孔結(jié)構(gòu)的靜電紡納米纖維膜相比于二維薄膜材料能提供更加密集的NPs負(fù)載位點(diǎn)。Tang等[38]通過聚電解質(zhì)沉積在AuNRs和PCL纖維上建立相反的電荷,再將PCL在AuNRs溶液中浸漬適當(dāng)時間,制備三維AuNRs/PCL納米纖維基底。由于三維曲孔結(jié)構(gòu)使得基材的表面積增加,與二維AuNRs/PCL薄膜對應(yīng)物相比,SERS強(qiáng)度增加6倍。而AuNRs通過靜電吸附在PCL上可以形成均勻的涂層,使得基底具有出色的重現(xiàn)性和靈敏度,對R6G和4-疏基吡啶的檢測限為1×10-7mol/L,EF值達(dá)105,RSD值小于5%。

與傳統(tǒng)的隨機(jī)取向靜電紡納米纖維相比,定向排列的納米纖維能夠調(diào)節(jié)NPs間的距離,產(chǎn)生定向排列和高密集度的熱點(diǎn),從而提高基底的SERS活性。Lee等[39]提出了一種在高度定向排列的靜電紡納米纖維上組裝AuNRs的方法,以定向排列的納米纖維作為微納米通道,調(diào)控AuNRs沿纖維軸向優(yōu)先排列,從而提升AuNRs的SPR效應(yīng)和SERS檢測靈敏度。這種負(fù)載有AuNRs的定向排列的纖維基底與隨機(jī)排列的相比,拉曼信號強(qiáng)度提高了50倍。Zhao等[40]從玉米的表面結(jié)構(gòu)中獲得了靈感,將AgNPs與PVA紡絲液共混紡絲后,利用平板收集法制備取向納米纖維,再通過熱蒸發(fā)將AgNPs沉積在取向排列的納米纖維上,開發(fā)了一種玉米粒狀的AgNPs/PVA/Ag納米纖維基底(見圖2)。PVA表面和內(nèi)部的AgNPs間發(fā)生的協(xié)同效應(yīng)可以在橫向和垂直的納米間隙之間產(chǎn)生強(qiáng)電磁場,從而顯著增加SERS基底的靈敏度,基底的RSD值為12.89%,其對結(jié)晶紫的EF值達(dá)到了6.04×108,檢測限為10-9mol/L。

圖2 高靈敏度三維多孔AgNPs/PVA/Ag納米纖維SERS基底的合成過程示意圖

此外,納米纖維表面的孔洞也能幫助熱點(diǎn)捕獲更多的待測分子,提高待測分子與NPs之間的反應(yīng)速率,進(jìn)而提高基底的檢測靈敏度。Chen等[20]通過直接共混法將銀納米線(AgNWs)嵌入到聚苯乙烯(PS)納米纖維中,AgNWs在納米纖維的限制下沿軸向排列,基底產(chǎn)生了較強(qiáng)的SERS增強(qiáng)效應(yīng),纖維表面存在的大量孔洞極大地提高了基底的樣品收集效率,促進(jìn)了分析物在AgNWs表面的吸附,以4-ATP為例,其檢測限為1×10-7mol/L,RSD值為8.7%。Jalaja等[41]同樣利用PS納米纖維,開發(fā)了一種柔性SERS基底,該基底可用于原位采樣和SERS檢測,PS納米纖維的表面存在均勻分布的納米孔,大量的NPs被強(qiáng)烈吸附在納米纖維表面上,形成納米級拉曼熱點(diǎn),加上納米纖維多孔表面額外提供的比表面積和孔隙率,使得SERS對多種分析物(如炸藥和殺蟲劑)具有高靈敏度,以R6G為例,其檢測限為1×10-7mol/L,EF值為107,RSD值為8.7%。表面具有多孔結(jié)構(gòu)的納米纖維不僅能為NPs的負(fù)載提供更多的位點(diǎn),并且這種高孔隙率結(jié)構(gòu)能夠快速吸附待測物,但納米纖維的孔隙率以及孔徑大小對于基底增強(qiáng)性能的影響尚且缺乏深入的研究與探索。

4 SERS基底在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 體液檢測

SERS提供了一種快速的光學(xué)檢測技術(shù),可用于對尿液、汗液等外分泌液中存在的與人體健康相關(guān)聯(lián)的生物標(biāo)志物進(jìn)行指紋識別。尿酸是痛風(fēng)、心血管和腎臟疾病的重要指標(biāo)之一。Saravanan等[42]將硫醇修飾的嘌呤與聚丙烯腈(PAN)纖維復(fù)合,再負(fù)載AuNPs用于檢測尿酸,檢測限為10-7mol/L,EF值為104。此外,腺苷作為一種重要的內(nèi)源性調(diào)節(jié)因子,在各組織和器官的生理活動過程中扮演了至關(guān)重要的作用。腺苷被認(rèn)為是監(jiān)測癌癥進(jìn)展的重要生物標(biāo)志物,定量檢測尿液腺苷可以有效監(jiān)測癌癥水平。Wang等[43]將AgNPs/聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)納米纖維膜用作人尿液中腺苷的SERS檢測基底,AgNPs/PNIPAAm經(jīng)激光誘導(dǎo)的等離子體加熱后纖維由親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?既有利于疏水性腺苷分子的捕獲,又有利于親水性尿素分子的排斥,對腺苷的檢出限為107mol/L。汗液pH值是一種可以無創(chuàng)測量的分析物,可用于診斷和監(jiān)測人體生理狀況。Chung等[44]通過熱塑性聚氨酯(TPU)靜電紡納米纖維和金濺射涂層復(fù)合,首次開發(fā)了一種用于持續(xù)健康監(jiān)測和即時檢測的可穿戴SERS活性基底(見圖3),4-MBA/Au/TPU基底在5.5～7.0的pH值范圍內(nèi)具有良好的檢測準(zhǔn)確性。此外,通過結(jié)合不同的SERS標(biāo)記分子,該基底也能應(yīng)用于其它生物體液(如血液、眼淚、唾液和尿液)的檢測。這種可穿戴SERS健康檢測傳感器可作為強(qiáng)大的分析工具,以簡便和非侵入性的方式對實際應(yīng)用中的分析物進(jìn)行原位和床旁檢測。

圖3 SERS活性Au/TPU靜電紡可穿戴汗液pH值傳感器制造和應(yīng)用示意圖

4.2 細(xì)菌檢測

細(xì)菌種類繁多、傳播途徑廣、耐藥性多變,易引起動物和人類傳染病,因此,如何快速檢測和鑒別細(xì)菌是醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、食品安全中最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。通過SERS能在短時間內(nèi)從細(xì)菌細(xì)胞中獲得特征光譜進(jìn)行檢測,無需復(fù)雜耗時的細(xì)菌培養(yǎng)和聚合酶鏈反應(yīng)[45]。目前利用SERS進(jìn)行細(xì)菌檢測的最大問題是缺乏具有高增強(qiáng)因子和穩(wěn)定性良好的傳感基底。Chen等[46]先利用靜電吸附效應(yīng)在柔性聚偏氟乙烯(PVDF)纖維表面沉積Au種子,其次通過I-和AuCl4-之間的配位形成穩(wěn)定的AuI4-絡(luò)合物,從而抑制Au的自成核;最后,在PVDF/Au纖維上原位生長AuNPs,AuNPs密集分布在纖維的三維網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了大規(guī)模的熱點(diǎn);PVDF/Au纖維基底可與細(xì)菌的三維表面結(jié)合產(chǎn)生有效的SERS信號,從而開展細(xì)菌檢測。

為提高基底對細(xì)菌檢測的靈敏度,具有高增效應(yīng)的無機(jī)納米纖維也被用作基底材料。Yang等[47]設(shè)計了Ag/TiO2靜電紡納米纖維用于直接檢測大腸桿菌和金黃色葡萄球菌,而無需事先將細(xì)菌與適配體偶聯(lián)對比觀察2種細(xì)菌的特征峰,Ag/TiO2基底對金黃色葡萄球菌的檢測更敏感。雖然Ag/TiO2納米纖維SERS基底具有一定的抗菌活性,但SERS信號是從細(xì)菌細(xì)胞的官能團(tuán)振動中采集的,即使在細(xì)菌死亡后也可以檢測到對應(yīng)的SERS光譜。具有抗菌活性的TiO2的引入,使得SERS柔性基底有望開發(fā)成具有自清潔性和可重復(fù)使用的細(xì)菌檢測基底,進(jìn)而降低基底的使用成本。

目前,大部分納米纖維柔性基底只能在細(xì)菌濃度較高時才能有效檢出細(xì)菌,而對細(xì)菌的原位檢測才是SERS基底的應(yīng)用與發(fā)展方向,因此,研究人員開始研發(fā)具有高靈敏度的納米纖維柔性SERS基底用于細(xì)菌檢測。Wan等[48]制備了摻有AuNPs的柔性二氧化硅(SiO2/Au)納米纖維,隨后將SiO2/Au浸入單寧酸(TA)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶液中,通過邁克爾加成反應(yīng)對其進(jìn)行表面改性。最后,以TA為還原劑在納米纖維表面原位生長AuNPs而得到Ag/TA/SiO2/Au。由于Au和Ag納米粒子的協(xié)同增強(qiáng),使柔性復(fù)合納米纖維膜具有優(yōu)異的SERS活性,EF值達(dá)108,該基底可直接用于檢測金黃色葡萄球菌且無需復(fù)雜的特異性細(xì)菌偶聯(lián)程序,檢測濃度可低至103CFU/mL。

5 結(jié)束語

目前,圍繞納米纖維基柔性表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)基底的設(shè)計、制備和應(yīng)用已進(jìn)行了大量的研究,但其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的研究仍處于起步階段,需要進(jìn)一步探索,尤其是在醫(yī)療診斷方面;而且復(fù)雜的體液環(huán)境對基底的檢測性能提出了極高的要求,既要關(guān)注基底對于待測物的選擇性,降低環(huán)境及雜質(zhì)對SERS信號的干擾,還要著眼于基底納米顆粒的抗酸堿性、抗氧化性和生物相容性等,保證基底對待測物高效準(zhǔn)確的檢測。通過結(jié)合新型可穿戴傳感器或電子器件,納米纖維SERS基底還可用于非侵入的人體健康參數(shù)監(jiān)測。在不久的將來,期待納米纖維基SERS基底在人體健康生活監(jiān)測和疾病診斷(包括體外和體內(nèi))中的大量實際應(yīng)用。