引用本文
齐琪, 鲁冰新, 车玉萍, 汪洋, 翟锦. 双金属双硅层核-壳纳米结构Au@SiO2@Ag@SiO2用于葡萄糖检测 [J]. 高等学校化学学报, 2019,40(5): 887-894.
QI Qi, LU Bingxin, CHE Yuping, WANG Yang, ZHAI Jin. Bimetallic Multi-core Nanoparticles with Dual SiO2 Layer Au@SiO2@Ag@SiO2 for the Detection of Glucose† [J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2019,40(5): 887-894.
Doi:10.7503/cjcu20180722  
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双金属双硅层核-壳纳米结构Au@SiO2@Ag@SiO2用于葡萄糖检测
齐琪1, 鲁冰新1, 车玉萍1, 汪洋2, 翟锦1
1. 北京航空航天大学化学学院, 北京 100191
2. 中国科学院化学研究所, 北京 100190

联系人简介: 翟 锦, 女, 博士, 教授, 主要从事仿生光电转换纳米材料和器件研究. E-mail: zhaijin@buaa.edu.cn

收稿日期: 2018-10-23
基金资助: 国家重点研究发展计划项目(批准号: 2017YFA0206902,2017YFA0206900)、 国家自然科学基金(批准号: 21471012,21771016)和国际科学和中国技术合作项目(批准号: 2014DFA52820)资助.
摘要

制备了一种灵敏度高、 稳定性强的双金属双硅层核-壳结构纳米材料Au@SiO2@Ag@SiO2. 由于双金属之间的硅层促进了远程等离子体的激发转移, 使该纳米粒子具有良好的表面增强拉曼散射(SERS)的特性及优异的稳定性. 利用这种SERS活性材料能直接检测出人体尿液的主要成分, 且该材料呈现出对低浓度(10-6 mol/L)葡萄糖的无标记高效检出能力. 此外, 还实现了人工尿液中等浓度(10-3 mol/L)葡萄糖和尿素分子的同时检测, 以及实际尿液中10-3 mol/L葡萄糖的检测. Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子具有在多种生物分子存在时快速检测葡萄糖的实际应用潜力.

关键词: Au@SiO2@Ag@SiO2; 表面增强拉曼散射; 无标记; 葡萄糖检测; 尿液
中图分类号:O657 文献标志码:A
Bimetallic Multi-core Nanoparticles with Dual SiO2 Layer Au@SiO2@Ag@SiO2 for the Detection of Glucose†
QI Qi1, LU Bingxin1, CHE Yuping1, WANG Yang2, ZHAI Jin1,*
1. School of Chemistry, Beihang University, Beijing 100191, China
2. Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Fund:† Supported by the National Key Research and Development Program of China(Nos.2017YFA0206902, 2017YFA0206900), the National Natural Science Foundation of China(Nos.21471012,21771016) and the International Science and Technology Cooperation Program of China(No.2014DFA52820)
Abstract

Surface-enhanced Raman scattering(SERS) was demonstrated as a highly efficient approach for the amplification of extremely low signals due to the strong electromagnetic field enhancement that occurs near closely-packed metallic nanostructures, which was dependent on the unique localized surface plasmon resonance(LSPR). To develop sensitive SERS probes, different geometric configurations as approaches are focusing on the synthesis of advanced nanostructures, or efficient Raman label compounds that are resonant with excitation light. These geometric factors affect the polarization direction and magnitude of plasmonic coupling and the SERS signal intensity. As we know, plasmonic properties of Au and Ag NPs are highly sensitive to their shapes. In order to improve the performance of metal nanoparticles in SERS detection, we prepared a highly sensitive and stable bimetallic double silicon core-shell nanostructured material of Au@SiO2@Ag@SiO2. The nanoparticles have good Raman scattering properties and excellent stability, since the silicon layer between the bimetals promotes remote plasma excitation transfer. The main component of human urine can be directly detected by using this SERS active material, and the material exhibits the ability to detect highly effectiveness 10-6 mol/L glucose with label-free Au@SiO2@Ag@SiO2 nanoparticles. In addition, simultaneous detection of medium concentrations of 10-3 mol/L glucose and urea molecules in artificial urine and detection of 10-3 mol/L glucose in actual urine were also achieved. The Au@SiO2@Ag@SiO2 nanoparticles show the potential for detection glucose in the presence of multiple biomolecules.

Keyword: Au@SiO2@Ag@SiO2; Surface-enhanced Raman scattering; Label-free; Detection of glucose; Urine

表面增强拉曼散射(SERS)是一种具有较高灵敏度的分析方法[1, 2]. SERS检测法具有快速、 简便等特点, 但是在检测某些低浓度物质时拉曼信号仍较弱, 因此具有高效SERS增强效果的复合基底材料被研制出来[3, 4]. 现在被普遍接受的2个SERS增强原理为化学增强和物理增强. 局域等离子体共振(LSPR)在物理增强原理中起着决定性作用. LSPR属于一种光学现象, 与金属纳米结构周围一定体积内自由电子的集体振荡有关. 当入射光的频率与金属中自由电荷的振动频率相匹配时, 就会发生表面等离子体共振, 从而提高拉曼散射效应[5]. 在SERS检测中, 贵金属Au和Ag因具有独特的光电性质而被广泛应用. 同时, 双金属Au-Ag复合体系能发挥协同效应, 比单一贵金属具有更好的增强拉曼散射的特性[6, 7]. 另外, 通过调节双金属间的间距和连接可促成远程等离子体耦合, 能够形成很强的“ 热点” (Hot spots)效应. Bu等[8]报道的一种C3N4/Ag复合纳米片具有良好的表面增强拉曼散射效应. Shen等[9]报道了一种新型多功能Fe3O4@Ag/SiO2/Au核-壳微球, 并表明Ag与Au之间远距离的等离子体转移导致拉曼散射的进一步增强. Feng等[10]合成了一种Ag-silica-Au层状结构复合器件, 并发现显著的远距离拉曼散射增强是由于介电层-氧化硅促进了Ag到Au有效的远程等离子体激发共振. Zhu等[11]制备了一种Ag-dielectric-Ag三层纳米壳状结构材料, 发现Ag和Au之间无间隔或隔绝层过厚均会降低荧光猝灭效率. 此外, SERS是近场效应, 将增强效果更好的Ag纳米粒子作为外壳层, 更具优势[12]. 但裸露的金属Ag存在易氧化、 易聚集及稳定性差等缺点. Li等[13]提出一种在金属纳米球表面包覆绝缘层SiO2的SERS基底制备方法, 该方法能防止金属纳米粒子聚集, 避免金属粒子与检测物的直接接触, 且对检测物具有多样适应性. 葡萄糖作为人体主要的供能物质, 其浓度能反映人体的健康程度[14]. 如糖尿病人需要调节血糖浓度来维持健康. 另外, 人体中除了血糖, 葡萄糖还存在于人体组织液及尿液、 汗液和唾液等体外排出液中, 并且这些非血液中存在的葡萄糖与血糖密切相关[15]. 人们通过灵敏准确检测简单易取的生物排出液如尿液中的葡萄糖来间接感知血糖浓度[16]. SERS技术在生物传感器中的应用为葡萄糖的灵敏和选择性检测提供了切实的解决方案[17]. Gu等[18]基于表面增强拉曼光谱的新型硼酸钠纳米探针检测了活体尿液和血清中的葡萄糖(0.55 mmol/L)和过氧化氢. Kwon等[19]通过可调控的等离子体腔实现了葡萄糖(0.1818 mg/mL)等小分子的无标记检测. Sun等[20]利用层流技术以4-巯基硼酸功能化的银纳米粒子为探针检测了1.0 mg/dL的葡萄糖.

本文通过逐层包覆的方法制备了一种多层核-壳结构复合体系的Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子. 由于内硅层促成了双金属之间的远程等离子体转移, 赋予这种纳米粒子良好的拉曼散射增强作用. 通过透射电子显微镜(TEM)和高角度环形暗场(HAADF)扫描电子显微镜对其形貌和结构进行了表征, 发现这种核-壳结构纳米材料具有规则的形状和均匀的球体尺寸. 同时, 制备了单金属单硅层Au@SiO2和Ag@SiO2核-壳纳米粒子, 并以结晶紫(CV)作为探针分子对比研究了它们与Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子的SERS增强效果. 所制备的复合结构材料具有长期稳定性和超强拉曼增强作用, 将其应用于葡萄糖检测中, 实现了干扰物—尿素存在条件下等浓度葡萄糖的检测. 进一步将葡萄糖加入到实际尿液中, 在葡萄糖浓度低于血糖浓度范围(3.96.7 mmol/L)时, 仍能准确检出实际尿液中的葡萄糖. 实验结果表明, 双金属双硅层核-壳结构纳米复合材料Au@SiO2@Ag@SiO2适用于多种生物分子检测, 从而提供了一种高灵敏、 选择性检测多种分析物的方法.

1 实验部分
1.1 试剂与仪器

氯金酸(HAuCl4· 4H2O, 分析纯)、 柠檬酸钠(Na3C6H5O7· 2H2O, 分析纯)、 硅酸钠(Na2SiO3, 分析纯)、 抗坏血酸(C6H8O6, 分析纯)、 硝酸银(AgNO3, 分析纯)、 氢氧化钠(NaOH, 分析纯)、 氯化钠(NaCl, 分析纯)、 磷酸钾(K3PO4, 分析纯)和磷酸钠(Na3PO4, 分析纯)均购自国药集团化学试剂有限公司; 结晶紫(C25H30N3Cl, 纯度≥ 99%)购自Sigma公司; 氨丙基三乙氧基硅烷(C9H23O3SiN, 97%)、 葡萄糖(C6H12O6, 分析纯)和尿素(CH4N2O, 分析纯)均购自阿拉丁试剂公司.

Laboratory RAM HR800型激光共焦显微拉曼光谱仪(法国HORIBA Jobin Yvon公司), SERS光谱检测的激发波长为633 nm, 分辨率为1 cm-1, 激光功率为1.5 mW, 积分时间为1 和5 s; JEM-2100F型高分辨透射电子显微镜(日本电子株式会社).

1.2 实验过程

1.2.1 Au@SiO2纳米粒子的制备 利用柠檬酸钠还原法[13]制备了球形金纳米颗粒. 取200 mL 0.01%(质量分数)氯金酸溶液加热至微沸, 加入1.4 mL 1%(质量分数)柠檬酸钠溶液充分反应, 溶液由淡黄色先变微蓝随后变为透明的棕红色, 得到Au纳米粒子胶体溶液. 待反应完全后, 停止加热和搅拌, 自然冷却至室温. 随后加入1 mmol/L的氨丙基三乙氧基硅烷溶液, 室温下搅拌约20 min后, 加入3.2 mL 0.04 mol/L 硅酸钠溶液, 搅拌均匀后移入96 ℃油浴中反应40 min, 停止加热并自然降温, 得到Au@SiO2纳米粒子.

1.2.2 Ag@SiO2纳米粒子的制备 取45 mg硝酸银用200 mL超纯水溶解, 加热至沸腾, 加入4 mL 1%(质量分数)柠檬酸钠溶液并在沸腾状态下反应1 h, 溶液变为亮土黄色. 待反应完全后, 停止加热和搅拌, 自然冷却至室温. 随后加入1mmol/L氨丙基三乙氧基硅烷溶液, 室温下搅拌约20 min后, 加入3.2 mL 0.04 mol/L 硅酸钠溶液, 搅拌均匀后移入96 ℃油浴中反应40 min, 停止加热并自然降温, 得到Ag@SiO2纳米材料.

1.2.3 Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子的制备 取30 mL Au@SiO2纳米胶体溶液, 在避光条件下依次加入540 μ L 0.1 mol/L抗坏血酸、 135 μ L 0.1 mol/L硝酸银及675 μ L 0.1 mol/L氢氧化钠. 室温下缓慢搅拌4 h后, 加入3.2 mL 1 mmol/L氨丙基三乙氧基硅烷溶液, 继续搅拌约20 min后, 加入10 mL 0.04 mol/L硅酸钠溶液, 搅拌均匀后移入96 ℃油浴中反应40 min, 停止加热并自然降温, 得到Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子.

将上述3种纳米粒子胶体溶液分别取3 mL, 以8000 r/min转速离心5 min, 移除上层清液后, 加入超纯水至3 mL, 超声分散, 再次离心. 如此反复2次, 最后一次离心移除上层清液后, 加入超纯水至1 mL, 超声分散, 分别得到3种纳米材料的1 mL胶体浓缩液.

1.2.4 结晶紫(CV)拉曼信号检测及Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子的稳定性 将5 μ L 10-6 mol/L结晶紫溶液分别与浓缩的Au@SiO2, Ag@SiO2和Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子溶液45 μ L混合, 静置1 h后, 取5 μ L滴在洁净的尺寸为5 mm× 5 mm 硅片上, 自然干燥. 对每个样品在5个不同位置进行拉曼光谱检测, 然后取平均值, 积分时间为1 s. 每隔1周使用Au@SiO2@Ag@SiO2重复测试1次, 以检测其稳定性.

1.2.5 实际尿液的拉曼及增强拉曼信号检测 尿样于早上8时取自隔夜禁食12 h的健康成人. 取5 μ L尿样直接滴在硅片上, 自然干燥后检测. 另外, 将5 μ L尿样与45 μ L浓缩的Au@SiO2@Ag@SiO2胶体溶液混合, 取5 μ L滴在硅片上, 自然干燥后检测.

1.2.6 葡萄糖在人工尿液中的检测 将5 μ L分散在人工尿液中的不同浓度(10-2, 10-3, 10-4, 10-5和10-6 mol/L)葡萄糖与45 μ L浓缩的Au@SiO2@Ag@SiO2胶体溶液混合. 取5 μ L滴在硅片上, 自然干燥后, 用拉曼光谱仪进行SERS测试, 积分时间为5 s.

将5 μ L溶有等浓度(10-2和10-3 mol/L)葡萄糖和尿素的人工尿液[21]及溶有等浓度(10-3 mol/L)葡萄糖和尿素的人工尿液(均含0.17 mol/L氯化钠、 0.08 mol/L 磷酸钾和0.04 mol/L 磷酸钠)与45 μ L 浓缩的Au@SiO2@Ag@SiO2胶体溶液分别混合. 取5 μ L 滴在硅片上, 自然干燥后进行拉曼光谱检测. 在硅片上测量每个样品独立的3个不同位置的光谱, 以获得用于后续数据分析的平均SERS光谱. 所有样品在5501800 cm-1波长范围内获取拉曼光谱, 激发波长为633 nm, 积分时间为5 s.

1.2.7 实际尿液中葡萄糖的检测 将葡萄糖固体粉末分散在实际尿液中并稀释, 得到葡萄糖浓度为10-1~10-3 mol/L的尿液样本. 分别取5 μ L尿液样本与45 μ L 浓缩的Au@SiO2@Ag@SiO2胶体溶液混合, 滴在硅片上, 自然干燥后进行检测. 对于每个样品, 在硅片上测量样品独立的3个不同位置的光谱, 以获得用于后续数据分析的平均SERS光谱. 所有样品在550~1800 cm-1波长范围内获取拉曼光谱, 激发波长为633 nm, 激发功率为1.5 mW, 积分时间为5 s.

2 结果与讨论
2.1 Au@SiO2, Ag@SiO2和Au@SiO2@Ag@SiO2的形貌结构

图1显示制备的3种纳米粒子均为典型的球形核壳结构. 图1(A)和(B) 分别为Au@SiO2和Ag@SiO2纳米粒子的TEM照片. Au核与Ag核的直径分别约为36和48 nm, 其外面包覆的SiO2层厚度约7 nm. Au@SiO2和Ag@SiO2纳米粒子的整体尺寸分别为(43± 3)和(55± 3) nm. 图1(C)和(D)为Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子的TEM照片, 由于Au和Ag的电子密度不同, 故呈现出明显的颜色衬度差异[22], 可以清晰看到Au核和Ag壳, 浅灰色的最外层为SiO2. Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子的形状规则, 分散均匀, 具有稳定的结构. 由图1(C)可见, 核壳紧密包覆, 单个纳米粒子尺寸约为70 nm. 单个纳米粒子的放大TEM照片如图1(D)所示, 一层薄的SiO2包覆在40 nm的Au核表面, 而另一层厚度约为10 nm的SiO2则包覆在Ag壳外部.

Fig.1 TEM images of Au@SiO2(A), Ag@SiO2(B) and Au@SiO2@Ag@SiO2(C, D)

图2示出了Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子的高角度环形暗场扫描电子显微镜(HAADF-STEM)照片及能谱分析结果. 其中, 图2(C)为O呈红色, 图2(D)为Si呈橙色, 图2(E)为Ag呈黄色, 图2(F)为Au呈绿色, 厚度约15 nm, 包覆在Au核外部的硅层厚度为5 nm. 由图2可以看出合成的Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子具有理想的多层核-壳结构.

Fig.2 HAADF-STEM images of Au@SiO2@Ag@SiO2(A, B), EDX mapping of O(C), Si(D), Ag(E) and Au(F)

2.2 Au@SiO2@Ag@SiO2的SERS性能检测

结晶紫(CV)作为SERS检测中常用的染料分子, 其荧光信号较强, 拉曼信号相对较弱. 实验中采用结晶紫评价4种纳米粒子的SERS增强效果. 将Au@SiO2, Ag@SiO2, Au@SiO2@Ag和Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子分别作为增强结晶紫拉曼信号的基底物质, 得到的拉曼光谱[图3(A)]. 可见, 10-6 mol/L的结晶紫吸附在纳米结构的SERS基底上产生了明显的拉曼特征峰, 918 cm-1处的峰归属为径向芳香环骨架振动; 761, 808和1178 cm-1处的峰归属为C— H键平面的径向芳香环弯曲振动; 1302, 1441, 1533, 1588和1621 cm-1处的峰归属为芳香环的C— C键伸缩振动[23]. 所得光谱强度与基底的SERS增强能力有关[24], 吸附在Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子上的结晶紫SERS信号最强, 与该纳米粒子具有更高的SERS增强能力的预期一致. 对比Au@SiO2@Ag@SiO2和Au@SiO2@Ag的拉曼信号强度发现, 外层SiO2能够有效防止纳米颗粒的氧化、 团聚引起的SERS效应降低现象, 从而对SERS信号起到有效的增强作用. 图3(B)显示了4种纳米粒子在结晶紫特征峰808, 918, 1178, 1375和1621 cm-1处的平均SERS光谱强度. 误差线代表每个样品在5个不同点测量结果的相对标准偏差(RSD). 相比于单金属单硅层的Au@SiO2和Ag@SiO2纳米粒子, Au@SiO2@Ag@SiO2产生的增强拉曼光谱强度高于二者之和, 此现象源于Au和Ag纳米粒子之间存在的等离子耦合进而产生的局域等离子体共振. Au和Ag纳米粒子之间薄硅层的存在可以促成长距离等离子体激发, 进而显著提高远程等离子体转移, 形成强烈的增强拉曼光谱效应[8~10]. 通过计算得出, Au@SiO2@Ag@SiO2增强拉曼信号强度分别约为Au@SiO2纳米粒子的4.6倍和Ag@SiO2纳米粒子的2.8倍. 因此, 双金属复合体系比单金属更具优势. 双金属粒子间的远程等离子体耦合效应显著提升了其拉曼增强性能. 将Ag壳引入金纳米粒子中会引起等离子体共振的蓝移且缩短等离子激元线的宽度, 实现在宽光谱范围内调节共振波长, 从而提高传感性能和广泛适用性[25].

Fig.3 SERS spectra of 10-6 mol/L crystal violet on Au@SiO2@Ag@SiO2, Ag@SiO2, Au@SiO2 and Au@SiO2@Ag nanoparticles(A) and average intensity at 808, 918, 1178, 1375 and 1621 cm-1(B)

Ag的表面等离子效应优于Au纳米粒子, 但是Ag固有的易氧化性和不稳定性使其不能长时间保持原有的高效等离子体特性; 并且Ag纳米粒子易聚集, 从而显著降低了其拉曼增强性能. Li等[13]曾提出在金属纳米粒子外包覆一层薄SiO2绝缘层, 以避免具有SERS活性的纳米结构与待测物直接接触, 起到提高纳米粒子灵敏度、 稳定性和再生性的作用. Liu等[2]发现在温度高达900 ℃时, 厚度为10~15 nm的SiO2涂层可使Ag纳米结构保持稳定, 且Ag纳米粒子的增强因子无明显变化. 本实验通过7和14 d的周期测试证明10 nm厚的外硅层使Au@SiO2@Ag@SiO2纳米材料具有良好的长期稳定性. 1178和1375 cm-1处的SERS平均强度在不同时间的变化如图4所示. 误差线代表3个样品的相对标准偏差(RSD), 每个样品在3个不同的点进行测量. 具有良好分散性的Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子能够在室温下保持高效的SERS增强性能至少49 d, 到49 d时1178和1375 cm-1处的峰强分别仅降低了6%和9%. 图4插图为21 d时利用Au@SiO2@Ag@SiO2样品检测10-6 mol/L结晶紫得到的SERS光谱图. 红、 蓝和黑色光谱分别为包括3次重复实验中的Au@SiO2@Ag@SiO2增强基底.

Fig.4 Time course of intensity of 1178(a) and 1375 cm-1(b) peak
Inset: SERS spectra of 10-6 mol/L CV on Au@SiO2@Ag@SiO2 at 21 d.

包覆有足够薄硅层的Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子很多“ 热点” 有利于基底和粒子之间的连接, 导致吸附分子拉曼信号增强[26]. 最低浓度为10-8 mol/L的结晶紫溶液可以通过Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子基底被检测出, 图5为检测得到的SERS光谱图.

Fig.5 Spectra of CV with 10-7 mol/L(a) and 10-8 mol/L(b) on Au@SiO2@Ag@SiO2 NPs

2.3 Au@SiO2@Ag@SiO2用于实际尿液检测

尿液组分的含量与肾的健康状态密切相关. 正常人体尿液的主要成分为水、 无机盐、 尿酸及尿素等. 尿液中的尿素浓度足够高, 因此可以使用正常拉曼光谱进行分析; 而其它组分都是低浓度的, 需要使用SERS进行分析[27]. 为了评价Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子对人体尿液拉曼散射的影响, 测定了健康成人尿液的常规拉曼光谱和SERS光谱.

图6示出了尿样与Au@SiO2@Ag@SiO2溶胶混合物的SERS光谱和无溶胶尿液的常规拉曼光谱. 在相同的测定条件下, 比较尿液与Au@SiO2@Ag@SiO2溶胶混合的SERS光谱与尿液的常规拉曼光谱发现, 多个主要振动带的SERS强度显著增加. 由于大部分的拉曼信号被显著的荧光背景覆盖, 所以在不添加Au@SiO2@Ag@SiO2胶体的天然尿液中仅观察到很少的低强度拉曼峰; 而在SERS光谱中可以观察到荧光背景强度明显降低, 能清晰地分辨出高强度、 尖锐的拉曼光谱峰. 在5501800 cm-1范围内, 实际尿液的SERS光谱与生化分子的振动模型相关. 尿素作为正常尿液中最易检测到的化学成分, 其拉曼光谱特征峰位于1003 cm-1处, 对应于C— N的对称伸缩振动[28], 656 cm-1处的峰对应于尿酸的O=C— N变形结构, 842 cm-1为肌氨酸酐的特征峰, 1592 cm-1处的峰对应于络氨酸的环呼吸振动.

Fig.6 SERS(a) and regular Raman(b) spectra of urine sample

本文方法不涉及额外的分离、 稀释或与其它试剂混合等化学分析步骤, 可直接对样品进行检测, 因此优于现有的一些测试方法. 该SERS分析方法为尿液筛查提供了一种即时的测试方法. 将此拉曼技术与便携式电子仪器相结合, 可使SERS感应器件成为实际尿液分析的实用工具.

2.4 Au@SiO2@Ag@SiO2用于尿液中葡萄糖的检测

检测葡萄糖对糖尿病的诊断和治疗至关重要. 对于大多数葡萄糖传感器, 检测是间接的, 依赖于酶, 如葡萄糖氧化酶. 酶蛋白的使用增加了传感器的成本, 并在一定程度上影响传感器的灵敏度、 稳定性和重复性[29]. 基于此, 本文通过SERS方法将制备的具有增强拉曼散射性能的Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子应用到葡萄糖检测中.

为得到葡萄糖的最低检测限, 将5 μ L人工尿液(含葡萄糖浓度为10-610-2 mol/L)与45 μ L Au@SiO2@Ag@SiO2胶体溶液混合, 测得的葡萄糖的SERS光谱如图7(A)所示. Au@SiO2@Ag@SiO2溶液中测得的葡萄糖拉曼光谱图与葡萄糖晶体的谱图相比有所偏移, 这是因为吸附分子与SERS基底发生相互作用所致, 谱线上的峰信息与葡萄糖的特征峰相符. 拉曼散射光谱对应的葡萄糖结构信息如下: 947 cm-1处的峰归属为O— C— H的弯曲振动, 1075 cm-1处的峰归属为C— OH的伸缩振动, 1147, 1195和1306 cm-1处的峰归属为C— C— C— O的伸缩振动, 1395和1437 cm-1处的峰归属为C— C— H的弯曲振动, 1578 cm-1处的峰归属为CH2的剪式振动[30]. 在特征峰位1075和1147 cm-1处, 浓度低至10-6 mol/L的葡萄糖仍能被检出. 这些峰的强度随着葡萄糖浓度的增大而增加. 由图7(B)可见, 1147 cm-1处葡萄糖的拉曼信号强度和峰面积与浓度呈现非线性关系. 综上, 采用Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子可实现葡萄糖分子的SERS无探针灵敏检测.

Fig.7 SERS spectra of glucose in artificial urine on Au@SiO2@Ag@SiO2 with various concentrations of glucose(A) and the nonlinear variation between SERS intensity and area vs. logarithmic plot of glucose concentration for the band at 1147 cm-1(B)
(A) c(glucose)/(mol· L-1): a. 10-6; b. 10-5; c. 10-4; d. 10-3; e. 10-2.

在有其它内源分子如尿素存在下, 对人工尿液中的葡萄糖和尿素进行了检测. 为模拟人体中尿素和葡萄糖的浓度范围(3.96.1和2.97.5 mmol/L), 将含有等浓度(10-3和10-2 mol/L)尿素和葡萄糖的人工尿液通过Au@SiO2@Ag@SiO2纳米基底进行SERS检测. 图8为测得的等浓度尿素和葡萄糖的拉曼光谱图. 可见, 在人工尿液中等浓度的葡萄糖和尿素可同时被检出. 图8谱线a两者浓度均为10-3 mol/L, 谱线b两者浓度均为10-2 mol/L. 1001 cm-1处为尿素的特征峰[28], 其余的拉曼光谱峰与葡萄糖相匹配. 图5中健康成人尿液位于1001 cm-1处的SERS峰强度介于图8谱线a和b峰强度之间, 与实际尿液中尿素浓度在10-3~10-2 mol/L范围内一致. 若血糖浓度高于肾糖阈值9.0 mmol/L, 超过了肾小球滤过率, 会出现尿糖现象. 这种检测基底可以被发展用于诊断分析肾脏病变或糖尿病等疾病. 另外, 在多数情况下, 尿素和葡萄糖共同存在, 如在培养液和工业污水中, 需同时检测. 葡萄糖和尿素混合物的SERS光谱表明, 两者对表面增强散射敏感. 这2种化合物在作为相互存在的化合物时, 可以被同时识别, 且不需要分离就能实现检测. 以Au@SiO2@Ag@SiO2纳米粒子作为增强基底的SERS检测方法为尿素和葡萄糖的同时检测提供了便捷的途径.

Fig.8 Raman spectra of 10-3 mol/L(a) and 10-2 mol/L(b) urea and glucose

为了将此方法更好地应用于人体检测, SERS感应器件还应在更复杂的介质中进行检测. 通过在健康成人尿液中添加葡萄糖固体粉末制备了含有10-3~10-1 mol/L葡萄糖的实际尿液, 并进行SERS检测. 图9为含有不同浓度葡萄糖的实际尿液的拉曼光谱, 942, 1162和1448 cm-1 处的SERS峰对应于葡萄糖分子的特征峰; 1073 cm-1处的峰对应于葡糖酸; 其它峰对应于尿液中的生物分子尿酸、 肌氨酸酐、 尿素和苯丙氨酸. 由于实际尿液化学成分复杂, 有些分子的特征峰会被荧光峰掩盖, 或成为其它分子特征峰的峰肩而变得不明显, 但仍能从葡萄糖特征峰的出现确定葡萄糖分子的存在; 且随着葡萄糖浓度降低SERS光谱中葡萄糖特征峰的强度减小. 结果表明, 无论葡萄糖单独存在或与其它物质共存, 都能通过葡萄糖分子的增强拉曼散射特征峰检测出不低于10-3 mol/L的葡萄糖, 显示出Au@SiO2@Ag@SiO2应用于实际检测的潜力.

Fig.9 Raman spectra of real urine and glucose
c(Glucose)/(mol· L-1): a. 10-3; b. 10-2; c. 10-1.

综上所述, 合成了一种双金属双硅层的核-壳结构纳米粒子Au@SiO2@Ag@SiO2, 利用这种纳米材料通过SERS技术可以准确检出实际尿液的成分, 包括尿素、 尿酸及苯丙氨酸等. 此外, 该复合材料可用于低浓度(10-6 mol/L)葡萄糖的测定, 在其它干扰生物分子存在的情况下低至10-3 mol/L的葡萄糖仍可被检测出, 且样品中多种生物分子的特征峰均能清楚地显示在SERS光谱中. 这种可以用于检测单个或多个组分的拉曼光谱分析系统为多种物质的体外分析提供了高效便捷的方法. 相比于传统方法, 基于双金属双硅层新型材料的SERS技术, 兼备了非侵入性、 长期稳定性、 抗干扰性和高灵敏性等优点, 该纳米材料在生物医药领域具有广阔的临床应用前景.

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