在生物檢測應用中，拉曼光譜SERS(surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS)逐漸發展成為一種最常用的多功能方法之一。與其他傳統的生物檢測手段相比，SERS檢測突出的優點包括極窄的峰寬、高靈敏度多元檢測能力和較寬的動態范圍等。構建功能化的SERS探針是SERS生物應用中的一個重要前提。一般而言，在SERS基底上修飾拉曼分子和特定的生物靶向分子就可以獲得面向生物傳感應用的SERS光學探針。圍繞SERS探針進行的生物傳感與檢測成為當今研究的熱點之一。

設計該類探針時要考慮到以下幾個方面：SERS活性，靶向效率, 納米結構及光學特性的穩定性及多元檢測能力等。為實現特定的生物探測功能，通常會在SERS探針的表面修飾特定的生物靶標分子，如抗體、DNA等。已有報道中，典型的SERS探針結構如圖 5所示。Feng Jingjing等人將金納米粒子通過DNA適體連接在金納米棒兩端制成探針，利用在金納米粒子與金納米棒之間非常狹窄的縫隙極強的電磁增強得到顯著的初始SERS信號(圖 5(a))。連接二者的適體同時可以作為識別分子與待測物BPA反應而使金納米粒子從納米棒上脫離，導致SERS信號的減弱。故這里的SERS信號強度與待測物的濃度成反比關系。

類似的結構還有在金納米星外通過適體DNA連接銀納米粒子而形成衛星型復合結構，其中DNA適體的優點之一是提高了對待測物的靶向性。Shi Huayi等人設計了一種基于適體的探針(圖 5(b))，可以特異性的識別待測物ATP并形成環狀的復合物，從而使一開始與其雜交的兩條單鏈DNA分離，最終導致修飾的兩個拉曼分子的SERS信號產生差異而形成SERS比率計型探針。由于靶標分子要識別待測物而使探針整體暴露在環境中，增加了環境中的分子對探針信號影響的風險。Jiang Tao等人在銀納米粒子外包裹一層介孔硅，再在硅殼上吸附一層銀納米粒子形成三層的復合結構，在保證SERS信號強度的前提下提升了探針的穩定性(圖 5(c))。

圖 5 (a) 基于金納米粒子-金納米棒復合體檢測BPA的SERS適體探針示意圖；(b)檢測ATP的SERS比率計硅片適體探針示意圖；(c)銀@介孔硅@銀三層核殼結構納米粒子制備流程示意圖；(d)合成19種SERS編碼納米粒子的編碼、結構及光譜

在合成出功能化的SERS探針之后，即可利用它們進行目標物的檢測。常見的待測物包括DNA、蛋白質、細胞、藥物、離子等。DNA作為一種生物標記物在一些疾病診療上扮演著重要的角色，而Fu Xiuli等人就選取了HIV-1 DNA作為目標物并設計了側向流(LF)條帶實驗來定量檢測分析(圖 6(a))。側向流條帶被認為是一種出色的現場護理診斷工具，其與SERS的聯用可以解決低濃度檢測等問題，也證明了SERS可以與很多平臺兼容互補。在腫瘤標志物的檢測中，蛋白質尤其是抗原的檢測占據了很大的比例。

Liguang等人利用DNA適體將銀納米粒子組裝成金字塔結構作為SERS探針，可以檢測前列腺抗原(PSA)、凝血酶和粘蛋白三種目標分子(圖 6(b))。除了小分子的生物標志物，細胞也是SERS進行生物檢測的目標之一。Nagappanpillai等人將熒光染料BODIPY當作拉曼分子制成SERS探針并用于檢測腫瘤細胞(圖 6(c))，這種納米探針的識別效率非常高并且可以進行細胞成像。我們研究組在SERS的生化檢測方面也做了大量的研究工作，例如端粒酶活性檢測、蛋白質免疫檢測、汞離子檢測、農藥檢測等。其中，端粒酶的長度檢測實驗中用著絲粒的SERS強度作為內標排除其他因素對SERS信號的影響，用端粒酶與著絲粒探針強度的比來確定端粒酶長度(圖 6(d))。這種SERS原位雜交(in situ hybridization)的靈敏度非常高，可以實現單個端粒酶的檢測。

圖 6 (a) A：實驗結構示意圖。B：基于SERS的側向流條帶實驗定量檢測HIV-1 DNA的檢測原理。(C為對照組，T為實驗組)；(b)銀納米金字塔由DNA框架自組裝SERS分析生物標志物示意圖。C：通過外泌體、磁球和SERS探針間免疫識別形成的三明治結構；(c)利用BODIPY修飾的納米粒子SERS成像示意圖；(d)SERS探針與基因組DNA的雜交原理示意圖

此外，利用SERS光譜十分窄的特點，人們提出了基于SERS的光譜編碼技術，生成的光譜碼可以用于多元待測物的同時檢測。我們提出了一種波長-光強雙編碼的SERS探針(圖 5(d))。利用3種拉曼分子的光譜以及強度兩類不同信息的組合，可得到多達19種不同的SERS光譜。Lai Yuming等人選了5種拉曼分子進行編碼制成SERS探針并用PS微球裝載(圖 7(a))，獲得了31種不同光譜編碼的PS球。值得注意的是，將SERS光譜與其他光學手段結合可以顯著提高可編碼容量。例如，我們提出了一種SERS-熒光共編碼的光學編碼新方法(SFJSE)，并利用有機-金屬-量子點復合納米結構構筑了一類SFJSE光學編碼微球作為探針(圖 7(b))。這種SFJSE編碼方案借助熒光-SERS聯合光譜拓展了可編碼光譜的有效范圍，與傳統單一熒光信號編碼方法相比，可編碼數量獲得了指數級增長。此外，通過不同種編碼分子錯層分布的策略簡化了編碼微球的設計方案，并大大減輕了信號串擾、制備復雜等問題，對于獲得大編碼容量的微球具有積極意義。

圖 7 (a) A：硅殼金納米粒子探針的SERS光譜(左)及拉曼分子的分子結構(右)。B：使用不同拉曼分子的SERS標簽典型的拉曼光譜(左)及相應的編碼(右)。(b)合成的15種納米粒子的構成、光譜和編碼

除了高通量檢測本領之外，基底對拉曼散射信號的增強作用使得SERS具有與熒光相當的檢測靈敏度。因此，SERS技術在生物傳感的應用中展現出了優異的檢測性能。另一方面，SERS檢測技術也有局限性。比如，SERS檢測的步驟相對繁瑣以及可重復性相對較低等。因此，開發高效、可重復、自動化的SERS檢測技術成為推廣SERS實際應用時亟待解決的問題之一。近年來迅速發展的微流控芯片技術為人們提供了一種很好的解決方案。

文獻來源中國光學DOI: 10.3788/CO.20181103.0513

作者：王志樂, 王著元, 宗慎飛, 崔一平

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