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SERS基底的制备及其在氨基酸和生物标志物检测中的应用

作　者: 成汉文
导　师: 宦双燕
学　校: 湖南大学
专　业: 分析化学
关键词: 表面增强拉曼散射 L-组氨酸 金纳米颗粒 SERS基底 DPA(吡啶2,6-二羧酸)
分类号: Q503
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering,SERS）是化学、生物分析中一种强有力的分析手段。它可以将吸附的分子的拉曼信号放大约106倍到10(140倍。由于其谱带窄、分辨率高、水干扰小、稳定性好等优点,SERS逐渐在材料科学、表面科学、生物医学检测和诊断的研究中得到了广泛应用。近年来,SERS技术作为一种灵敏的分析手段被初步用于蛋白质的吸附构型研究和细菌芽孢中生物标志物的检测。蛋白质的拉曼信号主要来自构成它的氨基酸侧链,因此研究氨基酸小分子的SERS光谱和吸附构型至关重要。吡啶2,6-二羧酸（DPA）是芽孢杆菌的生物标志物,早期的SERS研究主要是基于银的纳米基底,但还存在定量难、检测下限不确定等问题。因此,发展高灵敏的新型SERS基底,用于DPA的快速、灵敏定量检测仍具有挑战意义。本论文的主要研究内容如下:在第二章中,将SERS技术和密度泛函方法相结合,用于L-组氨酸—这一婴儿不同于成人的人体必需氨基酸分子的自组装研究。采用电化学粗糙化的银电极作为SERS基底,分析了L-组氨酸在银表面的吸附过程。结果显示L-组氨酸经过10.5h的组装时间完成了自组装过程。利用B1LYP结合6-31G基组计算了L-组氨酸的振动理论值,并结合我们在实验中观察到的与环有关的运动,以及与N8和O原子振动相关SERS峰的强度,推断L-组氨酸的自组装构型中N1、N3、N8和O原子都比较靠近银表面。在第三章中,采用自组装技术制备了基于金纳米粒子/聚乙烯吡咯烷酮/金电极（AuNPs/PVP/Au）的高灵敏SERS基底,比较了50 nm、60 nm、70 nmAu NPs的粒径大小与SERS基底活性的关系。通过紫外-可见吸收光谱表征了Au NPs的粒径和分布,并采用扫描电镜对制备的SERS基底的形貌进行了表征。不同粒径的Au NPs以及它们在金电极上形成的薄膜的表面等离子体共振带的峰位置均有所漂移,是与粒子尺寸效应和粒子局部团聚程度有关。实验结果显示,不论是在低浓度还是在高浓度,最大的SERS强度均来自于60-nm的金纳米粒子。控制实验表明,除了Au NPs间的耦合效应,Au NPs与金电极之间的耦合效应进一步引起了表面局域电场的急剧增强,并且后者（Au NPs-金电极）占主导地位,从而产生了很强的SERS效应。在第四章中,利用上一章中设计出的AuNPs/PVP/Au基底实现了芽孢杆菌生物标志物DPA的灵敏检测。实验发现在1000cm-1处DPA吡啶环的呼吸振动特征峰的SERS强度和DPA浓度之间的关系呈现出了两个线性区域,即,低浓度区域（<0.01 ppm）和高浓度区域（>1 ppm）,在它们之间还存在着一个过渡区域。在SERS检测DPA的众多工作中,低浓度区域观察到这样的线性关系还是首例。60 nm Au NPs制备的基底得到的检测下限为0.1 ppb,据我们所知,这已经是用此类型SERS基底来检测DPA的报道中最低限了。根据实验数据计算出的表观增强因子（106）和低浓度区域很大的吸附平衡常数（1.7x107 M-1）更支持了我们的发现。利用单分子层和多分子层吸附等温线模型分析了DPA在SERS基底上的吸附特征,以便洞察SERS强度和DPA浓度之间的关系。结果表明低浓度区到高浓度区对应着从一个单分子层吸附过渡到多分子层吸附,这和估算出来的满一个单分子层覆盖所需的最低DPA浓度（0.01 ppm）是一致的。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章 绪论  11-25
  1.1 拉曼散射的原理  11-12
  1.2 表面增强拉曼光谱（SERS）  12-23
    1.2.1 SERS 的发现  12
    1.2.2 SERS 的机理  12-16
    1.2.3 SERS 技术的优点与缺点  16-17
    1.2.4 SERS 活性基底  17-20
    1.2.5 SERS 在生化分析中的应用  20-23
  1.3 本研究论文的构想  23-25
    1.3.1 L-组氨酸在粗糙银电极上的SERS 研究  23
    1.3.2 AuNPs/PVP/Au SERS 基底的制备  23
    1.3.3 表面增强拉曼光谱用于DPA 的检测  23-25
第2章 L-组氨酸在粗糙银电极上的SERS 研究  25-32
  2.1 实验部分  26-27
    2.1.1 试剂与仪器  26
    2.1.2 电极粗糙化  26
    2.1.3 L-组氨酸自组装单层膜修饰银电极的制备  26
    2.1.4 拉曼光谱实验  26-27
  2.2 振动量化计算方法  27
  2.3 结果与讨论  27-31
    2.3.1 L-组氨酸酸性溶液光谱  27
    2.3.2 L-组氨酸在粗糙银表面自组装过程的in situ SERS 光谱测定  27-31
  2.4 小结  31-32
第3章 AuNPs/PVP/Au SERS 基底的制备  32-42
  3.1 前言  32-33
  3.2 实验部分  33-34
    3.2.1 试剂和仪器  33
    3.2.2 Au NPs 的合成  33
    3.2.3 SERS 基底的制备和检测分析  33-34
  3.3 结果与讨论  34-41
    3.3.1 AuNPs/PVP/Au 基底表征  34-38
    3.3.2 SERS 强度-粒径大小的关系  38-40
    3.3.3 基底对SERS 的影响  40-41
  3.4 小结  41-42
第4章 表面增强拉曼光谱用于DPA 的检测  42-56
  4.1 前言  42-43
  4.2 实验部分  43-44
    4.2.1 试剂与仪器  43-44
    4.2.2 SERS 基底的制备  44
    4.2.3 DPA 溶液的配制和检测分析  44
  4.3 结果与讨论  44-55
    4.3.1 检测原理  44-45
    4.3.2 DPA 的Raman 光谱特性表征  45-46
    4.3.3 SERS 强度和DPA 浓度的关系  46-47
    4.3.4 DPA 吸附AuNPs/PVP/Au 和SERS 强度的关系  47-55
  4.4 小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-67
附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录  67-68
致谢  68

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中图分类: > 生物科学 > 生物化学 > 一般性问题 > 生物化学技术
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