厦门大学Nature文章提出生物检测新方法

　　

生物通报道：来自厦门大学化学化工学院，美国佐治亚理工学院的研究人员发明了基于表面增强拉曼光谱（SERS）的一种新技术，这项新技术被认为将在材料科学和生命科学得到运用，例如，在食物安全、药物、炸药以及环境污染检测中发挥作用。这一研究成果公布在Nature杂志上。

领导这一研究的是厦门大学化学化工学院田中群院士，其早年毕业于厦门大学化学系，主要的研究方向是表面增强拉曼光谱、谱学电化学、纳米电化学等方面的研究，深入研究了SERS效应和一些电化学基本问题以及具有重要应用背景的电化学体系。

表面增强拉曼光谱（SERS）是一种非常强大的高灵敏分析技术，它可以探测和分析物质最表层分子，对于有些体系，它的灵敏度甚至达到检测单分子水平。但是，它的应用具有很大局限性——仅有少数几种金属（金、银、铜）可产生如此强大的表面增强拉曼信号，并且这些金属的基底必须是粗糙或需要制备成纳米粒子

在这篇文章中，研究人员建立了名为“壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱”（SHINERS）新技术，相当于在金属或其他材料（例如半导体硅表面甚至橘子皮）面上铺撒一层“聪明的灰尘”，即壳层隔绝纳米粒子。这种纳米粒子能使各种材料表面的拉曼光谱得到增强，不仅如此，它的“外衣”还能使避免它们之间相互以及对于探测金属的干扰，换句话说，科学家利用“壳层隔绝纳米粒子”来增强待测分子的拉曼光谱。

研究人员进一步用这个方法检测了包括活细胞壁的组分或橘子皮的残留农药，结果证明这种新技术可以检测各类物质的最表层化学组分和应用于任何形貌的基底，使得表面拉曼光谱提升为更为通用和实用的方法。

表面增强拉曼光谱近年来随着纳米材料科学的发展在生物医学领域的应用越来越广泛，这种技术适用于水溶液体系，又克服了普通拉曼光谱所需检测浓度高的缺点，十分适合用来进行生物学研究。

比如细胞研究，这种方法利用亚细胞结构为靶标的纳米探针能实时检测到特定细胞器上的分子振动光谱，能帮助我们揭示细胞各种生命活动过程，包括生长、病变、凋亡时细胞器上分子结构的变化规律，具有十分广阔的发展前景。

目前许多研究人员已经利用表面增强拉曼散射进行单分子和活细胞检测的研究进展以及在活体检测中的应用等方面的分析了，相信利用文章提到的新方法能在生命科学研究中发挥独特的优势。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a powerful spectroscopy technique that can provide non-destructive and ultra-sensitive characterization down to single molecular level, comparable to single-molecule fluorescence spectroscopy1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. However, generally substrates based on metals such as Ag, Au and Cu, either with roughened surfaces or in the form of nanoparticles, are required to realise a substantial SERS effect, and this has severely limited the breadth of practical applications of SERS. A number of approaches have extended the technique to non-traditional substrates14, 16, 17, most notably tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS)18, 19, 20 where the probed substance (molecule or material surface) can be on a generic substrate and where a nanoscale gold tip above the substrate acts as the Raman signal amplifier. The drawback is that the total Raman scattering signal from the tip area is rather weak, thus limiting TERS studies to molecules with large Raman cross-sections. Here, we report an approach, which we name shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy, in which the Raman signal amplification is provided by gold nanoparticles with an ultrathin silica or alumina shell. A monolayer of such nanoparticles is spread as ‘smart dust’ over the surface that is to be probed. The ultrathin coating keeps the nanoparticles from agglomerating, separates them from direct contact with the probed material and allows the nanoparticles to conform to different contours of substrates. High-quality Raman spectra were obtained on various molecules adsorbed at Pt and Au single-crystal surfaces and from Si surfaces with hydrogen monolayers. These measurements and our studies on yeast cells and citrus fruits with pesticide residues illustrate that our method significantly expands the flexibility of SERS for useful applications in the materials and life sciences, as well as for the inspection of food safety, drugs, explosives and environment pollutants.

作者简介：

田中群
出生年月：1955年12月
出生地: 福建省厦门市
籍贯 福建省福州市
2005年11月当选为中国科学院院士

学习及工作经历：

1978.2-1982.2，厦门大学化学系，本科生
1982.3-1983.8，厦门大学化学系，硕士生
1983.9-1987.1，英国南安普敦大学化学系，博士生
1987.2-1989.1，厦门大学化学系物理化学博士后流动站，博士后
1989.2-1991.11，厦门大学化学系，固体表面物理化学国家重点实验室，副教授
1990.8-1991.1，美国犹它(Utal)大学国家冷核聚变研究中心，访问科学家
1996.10-2003.5，固体表面物理化学国家重点实验室，常务副主任


现任职务：

1991.12-至今，厦门大学化学系，固体表面物理化学国家重点实验室，教授
1994.12-至今，厦门大学化学化工学院，博士生导师
2003.5-至今，固体表面物理化学国家重点实验室，主任


研究领域/方向/成果：


主要开展表面增强拉曼光谱、谱学电化学、纳米电化学等方面的研究。深入研究了SERS效应和一些电化学基本问题以及具有重要应用背景的电化学体系；从方法学的角度, 发展电化学拉曼光谱的实验及理论研究方法和建立有关联用技术，系统研究有关检测灵敏度、光谱分辨率、时间分辨率和空间分辨率等方面的问题；并开展电化学纳米加工和制备研究。获得了多种纯过渡金属体系的表面增强拉曼散射(SERS)光谱谱图，证实了VIII B族过渡金属具有弱SERS效应，并应用于各种电化学体系；应用不受谱仪检测器分辨率限制的时间分辨拉曼光谱技术，建立了电位平均拉曼光谱新方法；还发展了在微芯片上用电化学构造电极纳米间隔的技术。已经发表SCI论文200多篇，被他们引用1000多次。还应邀在国际电化学学会(ISE)大会和国际拉曼光谱学大会（ICORS）上做大会邀请报告，为Wiley & Sons撰写Surface Enhanced Raman Spectroscopy专著，为Wiley & Sons的分析化学大全、Wiley & VCH的电化学大全上撰写专章。


1996年获国家杰出青年基金，1997年入选人事部“百千万人才工程”，2001年被聘为教育部“****奖励计划”特聘教授，并作为主持人获国家自然科学基金委首批创新群体项目资助。现为英国皇家化学会资深会员(Fellow)、国际拉曼光谱大会执行委员会委员、中国化学会理事，曾任国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)物理化学和生物物理化学委员会衔称委员。现在还担任ChemComm., Journal of Physical Chemistry B, Langmuir、J. Raman Spectroscopy、Phys. Chem. Chem. Phys.、Electrochemica Acta等六个国际学术刊物的编委和《中国科学》等九个国内学术刊物的副主编或编委。