高靈敏SERS基底的制備及其在芽孢桿菌檢測中的應用.pdf

1、發(fā)展靈敏的、選擇性的快速檢測細菌芽孢的方法對于醫(yī)療診斷和人類健康治療來說顯得越來越重要。近年來，表面增強拉曼散射(SERS)技術因其具有的高靈敏度、高分辨率以及快速響應而在生物分子檢測應用中吸引了眾多研究工作者的興趣。構建SERS基底的一個關鍵性的挑戰(zhàn)是基底不僅需具備生物兼容性，而且還要能有力地實現(xiàn)理想的檢測靈敏度和選擇性。在本文中，設計了一種新型的基于金納米粒子的SERS基底，并證明了其對細菌芽孢中釋放出來的生物標志物的檢測可以獲得高

2、靈敏度和低檢測限。將在以下幾個密切相關的領域中討論主要的研究發(fā)現(xiàn)。
　　金納米粒子/聚乙烯吡咯烷酮/金基底(AuNPs/PVP/Au)的制備及其SERS效應將被首次討論(第2章)。關于Au NPs的粒徑與SERS基底的增強效應兩者間相互關系的研究工作表明：60 nm金粒子制備的基底獲得的SERS增強效應最大，增強因子可達～106。這一類型基底具備的強SERS效應來源于Au NPs-Au NPs及AuNPs-金基底間的相互作用所產生

3、的雙重耦合效應，還通過控制納米粒子的尺寸范圍(50-70 nm)對其進行了優(yōu)化。
　　該AuNPs/PVP/Au基底經實驗證明可以實現(xiàn)高靈敏檢測吡啶2，6-二羧酸(簡稱DPA，為細菌芽孢中的生物標志物)(第3章)。在考察DPA濃度與SERS特征峰之強度兩者關系的工作中觀察到了兩個線性范圍，“低濃度區(qū)域”(<0.01 ppm)及“高濃度區(qū)域”(>1 ppm)，并且在這二者之間還存在著一個“過渡區(qū)域”。在SERS檢測DPA的研究中，能

4、在這樣一個低濃度區(qū)觀察到線性關系實屬首例。實驗結果證明利用60 nm的AuNPs制備的基底可以獲得0.1 ppb的檢測限，據所知該極限值為在此類SERS基底檢測DPA的報道中最低值，低濃度的DPA在AuNPs/PVP/Au基底上獲得的極大K值(1.7×107 M-1)也可以證明這一發(fā)現(xiàn)。為了洞察DPA濃度與SERS強度間的相關性，依據“單分子層和多分子層吸附等溫線”對DPA在SERS基底上的吸附特征進行了分析。認為實驗中所觀察到的介于低

5、和高濃度區(qū)域之間的“過渡”對應于吸附等溫線從單分子層吸附到多分子層吸附的“轉變”，而且該“過渡區(qū)域”的實驗數(shù)據與我們估算出來的滿一個單分子層覆蓋所需DPA的最低濃度理論值(～0.01 ppm)十分吻合。
　　為了確定這一新型SERS基底的光譜鑒別和定量能力，也為了解生物標志物DPA在納米粒子修飾的基底上是否可能發(fā)生表面反應，認為有必要考察生物標志物和其脫羧反應的可能性產物一吡啶(Py)的競爭吸附體系(第4章)。在實驗數(shù)據分析中發(fā)現(xiàn)

6、：DPA和Py兩者雖然在它們的環(huán)呼吸振動模式相關的SERS光譜范圍內(900-1100 cm-1)顯示出一些相似性，但是二者在AuNPs/PVP/Au基底上的獨立吸附和競爭吸附的特征波譜中都表現(xiàn)出了明顯差別。在實驗檢測的濃度范圍內，Py在基底上獲得的吸附平衡常數(shù)(～8×105)比DPA的(～1×105)大得多，原因是Py在Au表面上的綁定能力比DPA的強。實驗結果不但提供了本SERS檢測條件下生物標志物在基于金納米粒子的基底上物種形成的

7、準確信息，而且也驗證了此類基底在有表面反應存在或無表面反應存在的條件下實現(xiàn)高靈敏、高選擇性檢測細菌標志物的可行性。
　　通過分析pH和陰離子對樣品溶液SERS強度的影響從而系統(tǒng)地研究了影響SERS檢測AuNPs/PVP/Au基底上DPA的因素(第5章)。實驗結果表明：SERS的強度會隨著pH值的下降而上升，認為此現(xiàn)象反映了DPA在SERS基底上存在著吸附模式的“質子化-脫質子化”間的平衡。溶液中存在的不同陰離子也對SERS強度有著

8、一定的影響，反映了不同陰離子在SERS基底上綁定能力的差異。
　　將上述SERS基底作為光譜探針檢測枯草芽孢桿菌的芽孢，以達到進一步檢驗該基底性能的目的，實驗結果證明：其對細菌芽孢中釋放出來的標志物鈣化DPA(CaDPA)也具有高靈敏性(第6章)。利用硝酸從芽孢中萃取出的CaDPA在SERS檢測中獲得了一系列特征光譜，并且得到了1.5×109 spores/L(即：2.5×10-14M)的檢測限(LOD)。將Au納米粒子構建的SE

9、RS基底和報道中的Ag納米粒子基底相比較不難發(fā)現(xiàn)：二者獲得的LOD值非常接近，但是前者的表面吸附平衡常數(shù)比后者的小了1～2個數(shù)量級。上述這一系列的發(fā)現(xiàn)均證明了Au納米粒子制備的SERS基底是可以直接作為高分辨率、高靈敏的生物兼容性探針而應用于細菌芽孢的檢測。
　　此外，為了建立在不同條件下對細菌芽孢的SERS檢測，又考察了芽孢的儲備時間和檢測環(huán)境對SERS檢測的影響(第7章)。實驗中以AuNPs/PVP/Au基底為探針檢測到了芽孢

10、在特定條件下“自釋放”出的CaDPA，這一發(fā)現(xiàn)與文獻報道中關于芽孢在控制溫度和濕度的條件下可以追蹤到CaDPA的釋放是一致的。在關于激光功率對SERS強度的影響這一研究中發(fā)現(xiàn)：后者隨著前者的增大而上升。這一發(fā)現(xiàn)證明：相比其他物種在不同激光功率下表現(xiàn)的不穩(wěn)定性，從芽孢中釋放出來的DPA/CaDPA在本實驗條件的激光照射下是穩(wěn)定的。
　　綜上所述，本工作中構建的AuNPs/PVP/Au基底可以被確認為是檢測枯草芽孢桿菌中生物標志物的高