CN101421606A - 表面增强共振拉曼光谱术 - Google Patents

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Abstract

对在聚集胶体纳米粒子上提供的样本(100)进行表面增强共振拉曼光谱(SERRS)的方法，所述聚集胶体纳米粒子具有与目标分子相似的等离振子吸收带。以与该等离振子的吸收带相符合的第一种波长(λ1)照射该样本，以便获得(12)用于得到(10)目标分子的指纹的SERRS光谱，并且以与由所述纳米粒子的聚集所造成的吸收带相符合的第二种波长(λ2)照射该样本，以便获得(14)用于对所述聚集进行监视(16)的SERS光谱。

Description

表面增强共振拉曼光谱术
技术领域
本发明涉及在(生物)分子检测(诸如在分子诊断领域)中使用的进行表面增强共振拉曼光谱术(SERRS)的方法和装置。
背景技术
拉曼光谱术是用于碳的结构特征表示的普遍的非破坏性工具，其中，可以使用分子对光的拉曼散射来提供关于样本的化学组成和分子结构的信息。表面增强拉曼光谱术(SERS)是一种类型的拉曼光谱(RS)技术，其从已经被吸收到某个专门准备的金属表面上的拉曼活性分析物分子中提供大大增强的拉曼信号。因为入射激光的光子简单地传播经过物体(bulk)，并且来自物体的信号盖过了来自表面分析物的任何拉曼信信号，所以RS对于表面研究是无效的。另一方面，SERS是具有表面选择性的和高度灵敏的，并且其对表面信号的选择性来自仅在表面存在的表面增强(SE)机制。
在文献中描述了两种主要增强机制：分别是电磁和化学增强。电磁增强的效果趋于优势地位，并且取决于金属表面出现的粗糙特征，粗糙特征是数十纳米量级，与入射激励放射线的波长相比，粗糙特征很小。
表面增强共振拉曼光谱术(SERRS)是可以用于对在粗糙金属表面吸收的分子进行灵敏地和有选择地检测和识别的技术，其中，共振拉曼光谱术提供了对SERS进一步的增强。在该情况下，通过选择激光激励波长与指定染料(dye)的吸收带相符来实现拉曼信号的增强。共振拉曼效果对于本领域的技术人员是已知的。
使用SERRS，可能将(由上述指定染料的)分子共振的灵敏度与表面增强拉曼散射(SERS)的灵敏度相结合，使得可以测量非常低的浓度。例如，可以将该技术应用在分子诊断中，以便对包括在传染病中的病原体细菌或者蛋白质的脱氧核糖核酸(DNA)进行识别。在该情况下，快速和高灵敏度识别对于有效治疗是至关重要的，并且广泛使用光学方法尤其是荧光光谱术来识别某些生物分子。然而，SERRS具有独特的特征，即散射光线由明显的、分子特定的振动带组成，这使得可能区分多种分析物，并且例如，从VolkerDechert等的“Near-Field Surface-enhanced Raman Imaging ofDye-Labelled DNA with 100-nm Resolution”，Anal.Chem.，70(13)，2646-2650，1998中，采用固体衬底金属表面实现的通过表面增强共振拉曼光谱术的DNA识别是已知的。
然而，由于扩散过程，目标分析物在表面上的吸收可以是非常缓慢的。因此，提出了使用通过表面电荷还原(reduction)来聚集的胶体的进一步增强的技术，其得到在空隙中的高电场区域。为了该目的，开发了拉曼活性纳米粒子，其将SERRS染料与还原的(例如，银)胶体结合，并且采用聚集胶体(aggregated colloid)的实验已经显示了非常有前途的结果(例如，见K.Faulds等的“A comparison of surface enhanced resonance Raman scatteringfrom unaggregated and aggregated nano-particles”Anal.Chem.，2004，76，592-59)。
当以纳米粒子使用SERRS时遇到一个问题，即粒子聚集过程的控制。采用聚集胶体的SERRS实验显示信号强度随时间变化。信号强度取决于聚集体的大小，并且已经确定在大约1分钟之后可以获得最大信号强度(见D.Graham等的“Detection and identification of labelled DNA by SERRS”Biopolymers(Biospectroscopy)2000，57，85-91)。
因此，本发明的目标是提供用于使用聚集纳米粒子进行表面增强共振拉曼光谱术(SERRS)的方法，其中，可以对纳米粒子的聚集状态进行监视以便增加表面增强共振拉曼光谱术(SERRS)的特异性、灵敏性和再现性。
发明内容
根据本发明，提供了对包含目标分子的样本进行表面增强共振拉曼光谱术的方法，所述方法包括在纳米粒子的表面上提供所述样本，所述纳米粒子包括具有与所述目标分子相似的等离振子(plasmon)吸收带的聚集胶体，所述方法还包括以具有至少两种激励波长的放射线照射所述样本，并且获得所得到的光谱，其中，所述第一种激励波长与所述等离振子吸收带相符合，并且所述第二种激励波长与由所述纳米粒子的聚集所造成的吸收带相符合。
有益地，所述方法包括以下步骤：对在不同时间作为所述第二种激励波长的结果所获得的光谱进行分析，以便对所述胶体的随时间的聚集状态进行监视。这使得能够对吸收信号的特征进行表征，并且对测量的再现性进行检查。另外，可以使用在不同时间作为第二种激励波长的结果所获得的光谱来获得在金属表面上吸收的并且可能影响SERRS标记(label)的样本中其它可能分子(污染物)的信息。
作为第二种激励波长的结果所获得的的光谱可以包含表面增强拉曼光谱术(SERS)信号强度谱或者所述胶体在λ2上的在各个不同时间的聚集状态的吸收信号。
在一个示例性实施例中，可以以所述等离振子吸收带内的多个波长对样本进行照射。在该情况下，可以在等离振子吸收带内对激励波长进行扫描，得到可以给出关于各种跃迁的特定信息的SERRS激励光谱。
因此，本发明提供了提高表面增强共振拉曼光谱术的特异性、灵敏性和再现性的方法。通过使用多波长方法，可以对(实现信号增强所采用的)胶体的聚集状态进行监视，有助于改进可控的和可再现的测量方法。可以使用该监视来检查再现性。通过对这些光谱进行分析，可以得到吸收信号的特征。另外，通过采用多波长激励可以获得独立背景，这给出了关于样本中(除了SERRS标记之外的)其它可能成分的信息。在另一种方法中，在经过吸收带对激励波长进行扫描并且对相应的SERRS光谱进行测量和合成的同时可以获得更多的特定信息。
特别地，这与例如在分子诊断领域的(生物)分子的超灵敏检测相关。
参考这里所描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并且对其进行说明。
附图说明
现在，参考附图，将通过举例的方式对本发明的实施例进行描述，在附图中：
图1a用图形说明了由非聚集银粒子形成的单吸收带；
图1b用图形说明了聚集银胶体的取决于聚集状态的吸收光谱，并且在红外区出现了额外的吸收带；
图2用图形说明了聚集胶体[曲线A]和具有染料的聚集胶体[曲线B]的吸收光谱(未按比例)以及激励波长，所示曲线在根据本发明的示例性实施例的方法中使用；
图2b是对根据本发明的一个示例性实施例的方法的主要步骤进行说明的示意方框图；
图2c用图形说明了在根据本发明的一个示例性实施例的方法的不同测量时间上、不同聚集状态[曲线A：聚集状态1；曲线B：聚集状态2]的SERS光谱；
图2d是对根据本发明的一个示例性实施例的方法的主要步骤进行说明的示意方框图，以及不同聚集状态的所得到的吸收光谱[曲线A：聚集状态1的吸收光谱；曲线B：聚集状态2的吸收光谱]的图形说明；
图3a用图形说明了在根据本发明的示例性实施例的方法中使用的具有多波长激励的SERRS激励光谱；以及
图3b用图形说明了在具有不同波长的激励上对SERRS信号的检测。
具体实施方式
作为背景并且如上所述，当以恰当的光源照射化合物时，以与入射光(瑞利散射)相同的能量(频率)发射大多数反射光子。然而，少数光子以改变的能量级别显现，这导致已知为“拉曼散射”的现象。该非弹性散射由样本化合物内各个光子与化学组成部分之间的振动交互作用造成，在非弹性散射中，光子相对于入射光获得(反斯托克位移)和失去(斯托克位移)能量。由于没有两种化合物显示出相同的拉曼响应，所以拉曼光谱术从历史上就是用于研究化学结构的有价值的分析工具。
虽然总是认为拉曼散射是弱信号效应，它的检测需要专用和高度灵敏的仪器，但是可以通过两个特定修改显著增强其信号检测。首先，感兴趣化合物与不规则粗糙金属(通常是金或银)的密切关联导致由金属表面等离振子(SERS)作为媒介所引起的信号幅度放大5-6个数量级。除了该表面增强之外，如果激励波长与等离振子带和相关联的化合物共振，那么进一步的信号放大是可能的。该“共振”增强对拉曼强度贡献了额外的3-4个数量级。该协同的增强(SERRS)将拉曼光谱术带入荧光及以上的灵敏度范围。
然而，不像具有大量光谱重叠和有限色调的荧光那样，SERRS光谱具有狭窄的峰值带宽，这提供了良好的光谱分辨率，并且SERRS光谱对于任何化合物都是唯一的。因此，大量唯一的标记可能导致高复用性能。
使用聚集胶体可以进一步增强SERRS，其中，例如，将SERRS染料添加到还原的(例如，银)胶体，并且可以通过例如精胺、LiCl、NaCl这样的聚集剂来实现聚集。参考图1a，非聚集纳米粒子的电子吸收能谱显示了单一带(在该情况下，在大约400nm处)。另一方面，如图1b中所示，如果粒子正在聚集，出现第二个红移吸收带(在该情况下，在大约700nm处)，而在400nm周围的带减小。
因此，总之，通过进入电子吸收带内的激励可以获得SERS信号。如果在表面上吸收了染料，那么可以对染料的额外吸收带和(聚集或未聚集)纳米粒子的吸收带以及SERRS信号进行检测。在聚集粒子的情况下，可以获得与单粒子值相比6倍因子的信号强度的增大。
在这里提出了通过对样本100的多波长激励将SERS和SERRS合并到聚集纳米粒子中(并且参考图中的图2a和2b)。
1、与染料和纳米粒子的吸收带相符合的第一种激励波长λ1。这导致对具有较大增强的SERRS信号进行检测(步骤12)。将使用该信号得到(步骤10)感兴趣(生物)分子的指纹(fingerprint)。
2、与由纳米粒子的聚集造成的红移吸收带相符合的第二种激励波长λ2。这导致对SERS信号的检测(步骤14)。
因此，图2b是SERRS和SERS信号的多波长激励和检测以及可以得到的相应信息的示意图。所提供的样本包括具有染料标记的聚集胶体以及感兴趣的生物分子(SERRS标记)。
如果(随时间)对SERS信号进行监视，那么可以对聚集状态进行估计(步骤16)。因为红移吸收带的强度取决于聚集的程度，所以信号的强度取决于聚集的程度。没有聚集，就不能监视吸收，并且因此不能监视SERS信号。如图2c中所说明的，在至少一个波长上对信号强度进行监视。所得的λ2光谱可以同时用作独立的背景光谱，以便对在金属表面吸收的样本中其它可能分子进行观测。
可替换地，如在图2d中所说明的，可以及时对由聚集纳米粒子引起的(在透射测量中的)吸收信号进行跟踪，以便对聚集状态进行估计。然而，使用SERS分析，光谱还可以给出关于在表面上所吸收的粒子类型的线索。再次，所得的λ2光谱可以同时用作独立背景光谱，以便获得关于在金属表面吸收的样本中其它可能分子的信息。
这样，一般，多波长激励方法的另一个方面是，可以使用通过激励λ2所获得的SERS信号来生成独立背景信号，可以使用该独立背景信号观测在金属表面吸收的样本中其它可能分子。这增加了方法的精确性。
在吸收带中对激励波长进行扫描是多波长激励方法的另一个方面。这导致可以给出关于各种跃迁的特定信息的SERRS激励光谱。SERRS光谱将随着对波长的扫描而改变。因为共振增强的特征归结为在不同激励波长上的不同的分子振动，所以这与单一波长的激励相比提高了对目标分子进行检测的光谱特异性。这可应用于具有固体衬底金属表面的实验中以及应用于纳米粒子胶体聚集中，并且在图3a和3b中对其进行了说明。代替对光谱进行测量，可以在特别选择的波长上对信息进行测量。
可以将本申请应用在诸如通过SERRS的DNA细菌检测的分子诊断中。本申请还可以应用于复杂媒体的分析物检测、或者复杂媒体的分析物浓度监视诸如体液内的药物监视、或者化学分析过程。
应该注意，上述实施例对本发明进行了说明而不是限制，并且本领域的技术人员将能够设计许多可替换的实施例，而不脱离如通过所附权利要求所定义的本发明的范围。在权利要求中，不应该将圆括号中的任何参考标号理解为限制权利要求。单词“包含”和“包括”等不是要在总体上排除在任何权利要求或者说明书中所列的那些组成部分或步骤之外出现的组成部分或步骤。组成部分的单独一个参考不是要排除这些组成部分的多个参考，反之亦然。可以通过包含几个离散元件的硬件手段以及通过合适的可编程计算机的手段实现本发明。在列举若干模块的设备权利要求中，可以通过硬件的一个以及相同项具体化这些模块中的某些。在互相不同的从属权利要求中叙述某些手段的事实不表明不可以使用这些手段的组合产生良好效果。

Claims (6)

1、一种对包含目标分子的样本(100)进行表面增强共振拉曼光谱术的方法，所述方法包括在纳米粒子的表面上提供所述样本(100)，所述纳米粒子包括具有与所述目标分子相似的等离振子吸收带的聚集胶体，所述方法还包括以具有至少两种激励波长的放射线照射所述样本，并且获得所得到的光谱，其中，所述第一种激励波长(λ1)与所述等离振子吸收带相符合，并且所述第二种激励波长(λ2)与由所述纳米粒子的聚集所造成的吸收带相符合。
2、如权利要求1所述的方法，还包括步骤：对在不同时间作为所述第二种波长(λ2)的结果所获得的光谱进行分析(16，24)，以便对所述胶体的随时间的聚集状态进行监视。
3、如权利要求1所述的方法，其中，使用在不同时间作为所述第二种激励波长(λ2)的结果所获得的光谱来生成独立的背景信号。
4、如权利要求1所述的方法，其中，从作为所述第一种激励波长(λ1)的结果所获得的光谱中得到(10)所述分子的指纹。
5、如权利要求1所述的方法，其中，作为所述第二种激励波长(λ2)的结果所获得的光谱包括表面增强拉曼光谱术(SERS)信号强度光谱或所述胶体的在各个不同时间上的聚集状态的吸收信号。
6、如权利要求1所述的方法，其中，以所述等离振子吸收带内的多个波长(λ1，λ2，λ3，λ4....)照射所述样本(100)。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102803966A (zh) * 2009-05-18 2012-11-28 卡博特保密器材股份有限公司 用于长波长sers的颗粒和方法
CN103403546A (zh) * 2010-11-24 2013-11-20 韩国化学研究院 核材和壳材之间形成有纳米间隙的单个纳米粒子及其制备方法
CN109342387A (zh) * 2018-10-19 2019-02-15 福建省林业科学研究院 一种基于纳米银胶表面拉曼增强检测酮康唑的方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102156119B (zh) * 2011-05-06 2012-11-21 东北师范大学 利用拉曼光谱检测指纹中潜在信息的方法
JP6393967B2 (ja) 2013-09-05 2018-09-26 セイコーエプソン株式会社 ラマン分光装置、ラマン分光法、および電子機器
JP2017138340A (ja) * 2017-05-22 2017-08-10 セイコーエプソン株式会社 検出装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6040191A (en) * 1996-06-13 2000-03-21 Grow; Ann E. Raman spectroscopic method for determining the ligand binding capacity of biologicals
US6985223B2 (en) * 2003-03-07 2006-01-10 Purdue Research Foundation Raman imaging and sensing apparatus employing nanoantennas

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102803966A (zh) * 2009-05-18 2012-11-28 卡博特保密器材股份有限公司 用于长波长sers的颗粒和方法
CN103403546A (zh) * 2010-11-24 2013-11-20 韩国化学研究院 核材和壳材之间形成有纳米间隙的单个纳米粒子及其制备方法
CN103403546B (zh) * 2010-11-24 2015-07-08 韩国化学研究院 核材和壳材之间形成有纳米间隙的单个纳米粒子及其制备方法
CN109342387A (zh) * 2018-10-19 2019-02-15 福建省林业科学研究院 一种基于纳米银胶表面拉曼增强检测酮康唑的方法
CN109342387B (zh) * 2018-10-19 2021-08-24 福建省林业科学研究院 一种基于纳米银胶表面拉曼增强检测酮康唑的方法

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