文| 曾少游

编辑| 曾少游

前言

为了能够早期发现病人和更快速的诊断大多数疾病，我们需要一种灵敏且选择性好的化学传感器，能够快速、廉价地去检测人体体液中特定的分子，也就是生物标志物。

(资料图片)

这样做可以带来更好的治疗效果并提高生活质量，而这些生物标志物可以是蛋白质、DNA、RNA、脂质和代谢产物等。

目前市面上确实已经存在一些有效的传感器，专门用于检测某些疾病，比如HIV抗体和先兆子痫的尿液检测，但是大部分传感器的灵敏度或特异性还不够。

液相色谱-质谱和高效液相色谱等分析方法可以实现低检的测限，但它们耗时且需要昂贵的实验室设备，所以研究重点转向开发快速经济高效的即时护理传感器。

其中一些重点领域包括电化学生物传感器、侧向层析试验、基于荧光的光学生物传感器和重量法生物传感器。

但如果要想同时达到所需的敏感性和特异性水平，还是非常困难的。不过科研人员认为表面增强拉曼光谱（Raman spectra）是一种能够克服这些限制的技术，可惜的是因为种种原因它还没有被广泛应用于临床。

在这项技术里，利用电化学SERS结合电化学和常规SERS的优势，可以可靠地检测复杂生物液体中非常低浓度的生物标志物，帮助病人更好地检测并诊断各种疾病。

SERS原则

拉曼光谱是一种用于分析材料的技术，通过检测光的散射来确定分子的振动和旋转状态。

然而，由于拉曼散射信号较弱，它的灵敏度不够高，无法直接检测体液中的生物标志物。为了解决这个问题，科学家们发现了表面增强拉曼光谱技术。

在SERS中，目标分子吸附到纳米结构金属表面上，从而使拉曼信号得到了巨大的增强。SERS的增强效果可达到10的8次方，这使得研究人员可以检测到非常低浓度的生物标志物。其中，SERS增强主要由两种机制引起，即电磁增强和化学增强。

电磁增强是指金属纳米颗粒表面的局部，等离子体共振现象所产生的局部电磁场增强效应。

当光的波长小于或等于金属纳米颗粒的直径时，金属纳米颗粒内的自由电子会发生共振振荡，从而增强了周围区域的电磁场。这种电磁增强效应可以大幅度增强拉曼信号。

SERS还可以应用于材料科学、纳米技术等领域，为研究人员提供更深入的分子级了解。

EMSERS增强因子，是用来衡量表面增强拉曼光谱技术中局部电场增强效应的大小。根据研究发现，EF与局部电场和入射激光的电场之间有关系，可以表示为英孚≈|E(ω)|^4|E0|^4。

这个关系说明，微小的局部电场变化会对SERS信号产生显著影响。

电磁场的大小取决于金属纳米颗粒，当NP之间的距离很小时，会形成非常强的局部增强区域，被称为热点，这可以在两个纳米颗粒之间或者经过精心设计的纳米结构中形成。单个纳米颗粒的EF并不特别显著，但当纳米颗粒之间连接时，EF可以非常大。

随着NP之间距离的增加，这些增强效应会减弱，当NP之间的距离小于1纳米时，量子效应如电子隧穿会预计明显降低场增强效应，这些研究结果表明，通过控制纳米颗粒之间的距离和形状。

在这里我们可以实现更强大的局部电场增强效应，从而提高SERS技术的灵敏度和检测限度。除了纳米颗粒之间的间隙产生的局部电场增强外，还发现在粒子的尖锐尖端或边缘也存在增强的局部电场。

这些尖端或边缘上的局部电场可以比周围的金属纳米颗粒更强，从而增强SERS信号。对于球状金纳米棒而言，计算表明球形纳米棒的尖端位置的电磁增强，明显高于纳米棒周围的其他区域。此外，椭圆体形状的金纳米棒上的最大电磁增强已被证明与其纵横比有关。

这促使人们对非球形纳米颗粒进行广泛研究，如纳米棒、纳米立方体、纳米三角形、纳米星和纳米花等。通过将尖端或边缘的增强效应，与纳米颗粒之间形成的局部增强区域结合起来，可以实现巨大的电磁增强效应。

两个尖端对准的三角棱镜可以表现出超过应用场景下的50,000倍增强效果，相比于电磁增强，SERS信号的化学增强效应要弱得多，但也值得注意，因为它可以解释拉曼峰的变化。

化学增强是由于吸附的分子在基态，或激发态下将电子转移到金属中或从金属中转移，这可能导致分子的极化率发生变化。

这些变化可能导致拉曼散射信号的偏移或增加，通过控制纳米颗粒的形状和结构，并利用局部增强区域和化学增强效应。

E-SERS：特殊类型的表面增强拉曼散射

如果想要实现更强大、灵敏度更高的SERS技术，就要用到E-SERS，这是一种特殊类型的表面增强拉曼散射，它发生在电化学单元内。

类似于传统的电化学电池系统，E-SERS系统包括一个工作电极，一个参比电极和一个对电极，以及一个电解质。

在E-SERS中，工作电极是一种纳米结构的金属表面，可以用于进行SERS测量，我们会使用恒定电位仪来控制工作电极的电势。通过控制电势，还可以调节工作电极上的电场强度，从而影响SERS信号的增强效果。

不难看出，E-SERS利用了电化学系统中工作电极的纳米结构表面，通过控制电势来实现SERS信号的增强，这种方法在实现高灵敏度和选择性的分子检测方面具有潜力。

E-SERS系统示意图

其实，E-SERS就是一种使用拉曼光谱原位研究电化学反应的方法，可以用于在纳米结构表面分析物的电化学吸附。

不过在后续的实验中，当施加电位到工作电极上时，大家发现这种方法还可以增强SERS信号，也就是表面增强拉曼散射信号。

电极表面和溶液之间的反应

在研究时，会涉及到分析物在纳米结构表面的电化学吸附，当带电电极与电解质接触时，在电极表面和溶液之间形成一个称为电化学双层的界面区域。

这个双层的性质会随着电极电位的改变而改变，如果电极电位更负，那么阳离子会被吸引到表面，而带正电的极性分子则会与电极相互作用。

反之，如果电极电位更正，那么带负电的阴离子会被吸引到表面。通过施加适当的电位可以控制这种吸附过程，从而增加分子在表面上的吸附量，进而增强SERS信号，金属表面上的电子数量也会受到电位改变的影响。

改变电极的电位会改变金属纳米结构中表面的电荷密度，而表面电荷密度的改变会影响等离子体共振的频率和振幅，从而导致SERS信号的增强。当施加负电位时，更多的电子会注入SERS基底，使得等离子体共振的幅度增加，进而增强了SERS信号。

费米能级决定了光驱动下电荷转移的可能性，而这个过程在SERS信号的化学增强中起着重要作用。改变电极的电位会改变金属的费米能级，从而增加电极和分子之间的电荷转移可能性。这种电荷转移的增加会导致SERS信号的增强。

电极、分析物、电解质和环境等的结构和组成都会影响E-SERS的增强效果，在经过深入研究分析物之后，发现E-SERS技术的作用不仅仅在于增强SERS信号上面。

这项技术非常强大，因为它可以控制吸附在表面上的分子种类，并增强它们的SERS信号。通过检测不同电位下的不同分子，可以实现多路复用，从而提高了使用SERS在复杂生物体液中检测生物标志物的可能性。

沉积在刚性基板上的胶体NPs

通过湿化学合成的胶体纳米粒子，可以用于表面增强拉曼散射技术金纳米粒子，还可以通过廉价且可重复合成的技术来制备。在这种方法中，四氯化金通过柠檬酸钠在水中还原，同时柠檬酸盐作为静电稳定剂。

通过精确控制成核和生长步骤，可以合成直径在10到200纳米左右的金纳米粒子。类似的方法也适用于合成银纳米粒子，其中硝酸银被柠檬酸盐还原。这些胶体纳米粒子可以应用于电化学表面增强拉曼散射技术中。

与电化学粗糙电极相比，这些胶体纳米粒子的表面特征更加均匀，整个表面的信号差异可以小于10%，这种方法已成功应用于许多E-SERS传感器的制备。

通过湿化学合成可以制备金和银胶体纳米粒子，并将其应用于电化学表面增强拉曼散射技术，这为制备高性能的SERS传感器提供了一种可行的方法。

在SPE上制备的多层滴铸Au/AgNP电极的SEM图像插图

虽然与其他基于SERS的传感器相比，这些检测到的浓度并不是特别低，但它们足以通过先兆子痫诊断测试的阈值，并非总是需要开发最灵敏的传感器，而是需要为特定应用开发最有效的系统。

其实，大部分关于E-SERS中胶体纳米颗粒的研究工作都使用了球形NPs，因为它具有高度可重复性和成本效益。

近年来，由于球形NPs的高对称性，更先进的非球形NPs，如纳米棒、纳米立方体、纳米星等，开始受到科学界的关注。

通过热点放大效应增强拉曼信号

在将胶体NPs沉积到刚性基板上时，主要问题是颗粒在表面上的分布不均匀，这限制了SERS信号的增强效果。为了解决这个问题，我们将规则模式排列NPs。

不过可惜的是，通过自组装产生具有亚10nm间隙的高度有序NP阵列，仍存在一些局限性，比如需要去除表面活性剂分子等。

CTAB封顶的金NP的自组装生产NP阵列的制造工艺

与传统的胶体纳米颗粒沉积不同的是，E-SERS使用三电极电化学电池和恒电位仪，这使得它成为一种更具吸引力的制造工艺。

与EC粗糙化类似，E-SERS利用相同的设备，并且可能更快、更容易操作，因为NP可以直接沉积在刚性导电基板上，无需滴涂。我们在电解质中使用0.1mM的氯化氢四氯金酸盐，并在特定的时间内施加一系列电位步长。

实验参数的改变显示了金颗粒的粒径，随着氯化金酸盐浓度和沉积时间的变化而变化。在应用20个15秒循环后，相比于单个300秒的电位步长，0.1mM四氯金酸盐产生了更多的均一分散的金颗粒。

在这里我们采用了两步法，在含有0.1mM氯化金酸盐和0.1M氯化钠的溶液中，施加+0.89V至-0.8V的电位，并持续410秒。这一步骤促使形成许多小的金颗粒作为种子，在随后的生长步骤中，这些颗粒作为种子，通过循环伏安法在同一电池中生长。

通过逐渐增加循环次数，金颗粒的尺寸增加，颗粒间的间距减小，从而形成热点。此方法制备的金颗粒尺寸更小、更均匀，颗粒间的间隙也会更密集，非常适合用于SERS应用。

与传统的胶体纳米颗粒沉积不同，E-SERS使用EC电池和恒电位仪，并能够快速、简单地制备具有较小颗粒尺寸和均匀间距的金颗粒，这种制备方法对于开发高效的E-SERS应用具有很大的吸引力。

在ITO上形成金NPs的两步ED过程

总结

E-SERS制备中常用的方法，是通过电沉积金纳米颗粒在导电基底上形成纳米结构，可以使用三电极电化学电池和恒电位仪来控制电位和电流密度。

该方法可以实现金NP的高密度和均匀分布，从而增强了SERS信号。化学物质的选择对E-SERS纳米结构电极的制备至关重要。金盐是最常用的金属源，它通过还原反应在导电基底上生成金NPs，其他金属盐也可以用于制备不同材料的纳米结构电极。

添加剂如氯化钠、氯化钙等可调节反应速率、粒子形貌和尺寸分布，改变电位和时间参数对纳米结构电极的形成也具有重要影响。调节施加到工作电极上的电位步长和电位范围可以控制金NPs的尺寸、分布和形貌。

纳米结构电极的性能评价主要基于其SERS信号增强因子和稳定性，EF是用于衡量纳米结构电极与传统表面的SERS信号增强效果的指标，稳定性考虑了纳米结构电极的使用寿命和抗氧化性能。

我们根据实验得知，SERS纳米结构电极的制备研究已经取得了重要进展。通过控制电位、时间和化学物质选择，可以制备出具有优良SERS性能的纳米结构电极。

未来的研究可以进一步改进制备方法、优化纳米结构，以及应用于更广泛的SERS领域，如环境监测、生物传感和化学分析等。

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