金屬烯碳納米囊在SERS中的應(yīng)用研究進(jìn)展

尹志威,溫貽靜,石蕊,夏昕,王昚,曹曉旭,程玉琦,曾佳玉,李圣凱,陳卓*

(1. 湖南大學(xué),化學(xué)化工學(xué)院,化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,分子科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室,湖南,長沙,410082)

1 引言

表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)是一種高靈敏度的分子指紋譜識(shí)別技術(shù),能夠指數(shù)級(jí)放大拉曼散射信號(hào),因此被廣泛應(yīng)用于表面/界面科學(xué)、光譜學(xué)、生化檢測、成像示蹤等領(lǐng)域[1-5]。SERS技術(shù)擁有眾多獨(dú)特的優(yōu)勢[6-8]:包括(1)可提供特異性的分子“指紋信息”;(2)檢測靈敏度高,可實(shí)現(xiàn)單分子水平檢測;(3)半峰寬窄,可實(shí)現(xiàn)多靶標(biāo)分析;(4)抗光漂白和光降解性能較好;(5)操作簡單,樣品需求量少且無損;(6)水分子的拉曼散射信號(hào)極其微弱,能夠?qū)ι飿悠返群扛叩臉悠芳嫒?(7)SERS增強(qiáng)基底可設(shè)計(jì)性強(qiáng)?；谝陨蟽?yōu)勢,SERS技術(shù)已成為重要的光譜學(xué)技術(shù)之一。然而在復(fù)雜的極端環(huán)境下,SERS增強(qiáng)基底一旦被破壞,將極大地削弱拉曼信號(hào)輸出的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性,不利于SERS的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。為了克服以上挑戰(zhàn),開發(fā)一種穩(wěn)定性良好和檢測靈敏的SERS增強(qiáng)基底具有重要的意義。

近年來,多種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬基底的保護(hù)并提高檢測能力的多功能SERS增強(qiáng)基底已經(jīng)被開發(fā)出來,主要包括以下三種常見的類型:等離激元金屬/烯碳材料復(fù)合基底[9-13]、等離激元金屬/磁性材料復(fù)合基底[14-16]、殼層隔離的納米顆粒(SHINs)基底[17-23]。盡管等離激元金屬在復(fù)合基底(如:烯碳材料、磁性納米材料等)上有利于產(chǎn)生“熱點(diǎn)”,然而裸露的SERS基底依舊難以抵擋外部環(huán)境的侵蝕,尤其在極端和復(fù)雜的環(huán)境中[10,14,24-29]。因此包裹完好的SHINs基底是一類非常特別的SERS增強(qiáng)基底,SHINs利用保護(hù)殼層(例如:烯碳、二氧化硅、二氧化錳和氧化鋁等)的特性,將等離激元納米顆粒(PNPs)核心包裹起來,從而避免外界環(huán)境對(duì)基底的破壞和干擾,極大地提高拉曼信號(hào)輸出的穩(wěn)定性[17,27-29]。但由于電磁增強(qiáng)屬于一種長程效應(yīng),理論上殼層的包裹會(huì)減弱拉曼增強(qiáng)基底的SERS增強(qiáng)能力,因此殼層厚度的控制是調(diào)控SERS效應(yīng)的重要參數(shù)之一。在已報(bào)道的SHINs基底中,烯碳隔離的金屬SERS增強(qiáng)基底(簡稱:金屬烯碳納米囊)具有獨(dú)特的優(yōu)勢,原子級(jí)厚度的烯碳?xì)拥母綦x不僅保證了金屬核的穩(wěn)定性,而且不會(huì)對(duì)SERS性能產(chǎn)生明顯的阻礙作用[8,30,31]。經(jīng)過近十多年的發(fā)展,金屬烯碳納米囊在分析檢測和生物成像等方面取得了巨大的進(jìn)步。本綜述介紹了金屬烯碳納米囊SERS增強(qiáng)基底的開發(fā)和應(yīng)用的最新進(jìn)展,包括金屬烯碳納米囊SERS增強(qiáng)基底的制備過程與機(jī)理,然后重點(diǎn)介紹金屬烯碳納米囊SERS增強(qiáng)基底在分析檢測和生物成像的最新進(jìn)展,最后概述烯碳納米囊SERS增強(qiáng)基底面臨的挑戰(zhàn),以及在其他極端環(huán)境中的應(yīng)用潛力。

2 金屬烯碳納米囊的制備與性質(zhì)

金屬烯碳納米囊的制備方法主要包括有等離子體射流法[32]、碳弧放電法[33]、濕化學(xué)合成法[34]和化學(xué)氣相沉積法(CVD)[35],因此研究人員可以根據(jù)不同應(yīng)用的需求進(jìn)行選擇。其中等離子體射流法、碳弧放電法和濕化學(xué)合成法均難以精準(zhǔn)控制烯碳?xì)舆_(dá)到原子級(jí)厚度。為了獲得高質(zhì)量的烯碳納米囊,且易于控制尺寸形貌和烯碳?xì)雍穸?CVD是制備金屬烯碳納米囊SERS增強(qiáng)基底的首選制備方法。

CVD制備金屬烯碳納米囊的機(jī)理與傳統(tǒng)的石墨烯CVD合成類似。其原理可概述為:高溫下裂解的碳原子直接溶解于金屬催化劑中,降低烯碳形成的反應(yīng)能壘,最終溶解的碳原子偏析到金屬表面后形成烯碳?xì)覽36]。對(duì)于碳溶解度低的金屬而言,碳原子的溶解和偏析難以發(fā)生,主要是通過前驅(qū)體分解后直接形成烯碳,并在表面擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)包裹[37]。這兩種生長機(jī)制通常在烯碳CVD合成中共存,兩種機(jī)制之間的比重大小通常取決于金屬催化劑的性能。因此,CVD制備金屬烯碳納米囊可大致分為四個(gè)步驟(圖1):(1)將金屬離子均勻分散在模板以制備金屬催化劑前驅(qū)體,隨后將高溫還原的金屬納米液滴(例如:Au、Ag、Cu、Co等)限域模板的空隙之間;(2)高溫下碳源(例如:CH4、乙醇、碳量子點(diǎn)、其他有機(jī)化合物等)裂解的碳原子在金屬催化劑表面溶解,碳原子飽和后沉積在金屬催化劑表面;(3)快速降溫使碳原子從金屬表面析出形成金屬烯碳納米囊;(4)刻蝕模板,將限域在模板空隙之間的金屬烯碳納米囊釋放。

圖1 金屬烯碳納米囊的制備流程和機(jī)理

金屬烯碳納米囊最為獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征在于金屬顆粒表面的少層石墨烯殼層,甚至可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)厚度,因此金屬烯碳納米囊在具備強(qiáng)局域表面等離激元共振(LSPR)效應(yīng)時(shí)也具有烯碳納米材料本身的固有性質(zhì)。通過透射電子顯微鏡(TEM)測試(圖2)可直接觀察到金屬納米顆粒表面包覆有一層烯碳層,厚度大約為0.34 nm[38],紫外-可見吸收光譜(UV-vis)測試證明了烯碳?xì)拥淖贤馓卣魑辗逦挥诩s265 nm處[39-41],熒光光譜證明了金屬烯碳納米囊能夠通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)有效地猝滅熒光信號(hào),減弱了熒光對(duì)SERS的影響[42,43],拉曼光譜測試也表明金屬烯碳納米囊的烯碳?xì)泳哂蠨峰(～1350 cm-1)、G峰(～1580 cm-1)兩個(gè)固有穩(wěn)定的拉曼峰,以及拉曼靜默區(qū)的2D峰(～2650 cm-1),這些拉曼峰可用于成像并作為內(nèi)標(biāo)提高精確度[39,44,45]。由于烯碳?xì)拥幕瘜W(xué)惰性,金屬烯碳納米囊在中性、酸、堿、鹽溶液、生理環(huán)境和氧化還原性環(huán)境中均展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性[8,46]。同時(shí),二維烯碳材料具有表面積大、離域π電子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),通過疏水或者π-π相互作用來負(fù)載藥物分子或者富集靶向分子,可以進(jìn)一步拓寬了金屬烯碳納米囊SERS應(yīng)用的領(lǐng)域[40,47]。我們已經(jīng)成功制備了不同金屬組成、顆粒尺寸和形貌的金屬烯碳納米囊,根據(jù)核殼結(jié)構(gòu)的組成差異,可以將金屬烯碳納米囊分為以下三類:單金屬烯碳納米囊、合金烯碳納米囊和復(fù)合烯碳納米囊(圖2)。其中單金屬烯碳納米囊有效解決了SERS基底不穩(wěn)定的問題,拓寬了SERS的應(yīng)用場景。盡管如此,多元金屬的組合能夠提供更多意想不到的性質(zhì)。例如Co的參雜賦予了磁性,提高了合金烯碳納米囊在復(fù)雜體系中的運(yùn)動(dòng)和檢測能力,Cu的參雜解決了殼層形成問題,有效催化了表面烯碳?xì)拥纳L。復(fù)合烯碳納米囊被進(jìn)一步設(shè)計(jì),磁性烯碳納米囊攜帶多個(gè)SERS基底,提高了基底的各向異性以及“熱點(diǎn)”數(shù)量,增強(qiáng)檢測能力。然而,合金的形成以及烯碳?xì)拥纳L都需要一定的條件,這些問題也阻礙了新型金屬烯碳納米囊的開發(fā)。截至目前,這些金屬烯碳納米囊已被應(yīng)用在待測分子的SERS分析以及成像。

圖2 金屬烯碳納米囊的分類:單金屬烯碳納米囊(A)、合金烯碳納米囊(B)和復(fù)合烯碳納米囊(C)的STEM圖、EDS和拉曼光譜圖。金屬烯碳納米囊命名規(guī)則:金屬內(nèi)核@石墨烯外殼,簡寫為M@G,M = Au、Ag、Cu、Co等

3 金屬烯碳納米囊在SERS中的應(yīng)用

3.1 金屬烯碳納米囊用于分析檢測

SERS基于紫外光到紅外光的靈活激發(fā)光源,可檢測分子振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)以及分子內(nèi)的其他低頻模式,可提供包含成分、對(duì)稱性和環(huán)境確定性樣品的指紋振動(dòng)信息,具有超高的空間分辨率,被廣泛應(yīng)用于各種分子的化學(xué)成分、分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)象以及分子間相互作用的檢測[48]。SERS的分析檢測涉及基底與復(fù)雜環(huán)境之間的關(guān)系,因此合理設(shè)計(jì)SERS基底具有重要意義。相比于傳統(tǒng)SERS基底,金屬烯碳納米囊具有更高的穩(wěn)定性。它是一種將金屬納米核限域在少層烯碳內(nèi)部的新型材料,兼具有烯碳納米材料和金屬納米材料的雙重優(yōu)良特性[8]。由于烯碳?xì)拥谋Ｗo(hù),烯碳納米囊在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,殼層的存在,避免了樣品與SERS基底之間的直接接觸,也減少了樣品的光碳化和其他副反應(yīng),從而獲得可靠的SERS分析結(jié)果[49]。烯碳納米囊可以通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)淬滅檢測系統(tǒng)的背景熒光,有益于提高SERS分析檢測結(jié)果的可靠性。此外,金屬烯碳納米囊還具有獨(dú)特的拉曼散射特征峰,特別是拉曼靜默區(qū)的2D峰可以作為無干擾的內(nèi)標(biāo),校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)因素和檢測環(huán)境導(dǎo)致的信號(hào)波動(dòng),有效保證了SERS定量的準(zhǔn)確性[8]。基于以上特性,烯碳納米囊在復(fù)雜環(huán)境檢測和生物檢測均取得了較好的進(jìn)展。

3.1.1環(huán)境檢測

由于水的SERS信號(hào)可忽略不計(jì),因此該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于水環(huán)境中的待測分子的檢測[8]。Bian等人報(bào)道了超穩(wěn)定Au@G作為SERS基底檢測水環(huán)境中R6G[50]。Au@G可以有效淬滅背景熒光并減少光碳化和光漂白,使得R6G檢測的增強(qiáng)倍數(shù)大于100(圖3A)。與傳統(tǒng)的金納米顆粒(AuNPs)相比,銀納米顆粒(AgNPs)具有的優(yōu)越光學(xué)橫截面和低經(jīng)濟(jì)成本使其成為更適合的等離激元共振材料。但由于AgNPs易被氧化,因此限制了Ag在SERS檢測中的應(yīng)用。為了解決上述問題,Song等人基于CVD方法在Ag表面生長烯碳以保護(hù)Ag不被腐蝕。為更好地調(diào)控表面烯碳?xì)拥纳L情況,在Ag中摻入Cu以催化表面烯碳?xì)拥纳L,形成耐腐蝕、水溶性良好的穩(wěn)定AgCu@G,可有效增強(qiáng)SERS信號(hào)[51](圖3B)。隨后,Li等人報(bào)道了一種利用Au納米晶體優(yōu)異的催化活性實(shí)現(xiàn)Ag表面烯碳生長的方法,制備得到穩(wěn)定且具有優(yōu)異SERS性能的AuAg@G,用于同一環(huán)境R6G和BPEA的同時(shí)靈敏檢測[52](圖3C)。并且AuAg@G能夠有效區(qū)分R6G和BPEA,也能對(duì)綠膿桿菌的生物標(biāo)志物CN-與PYO進(jìn)行分析,以實(shí)現(xiàn)多靶點(diǎn)檢測[53]。

圖3 A.在有(紅色)、無(綠色、黑色)Au@G情況下的R6G的SERS光譜[50];B.在有(紅色)、無(藍(lán)色)AuCo@G的情況下的R6G的SERS光譜 [51];C.以AuAg@G為SERS基底的R6G和BPEA檢測信號(hào)[52];D.不同水樣中1.超純水、2.純凈水、3.自來水和4.天然河水中不含(淺藍(lán)色)和含(深藍(lán)色)50 μM氰化物的SERS光譜[41]

為了使檢測過程可控,并定向捕獲、富集復(fù)雜環(huán)境中的檢測物,Zhang等人設(shè)計(jì)了超穩(wěn)定、可遠(yuǎn)程磁控的AuCo@G,可在多種水環(huán)境中(超純水、純凈水、自來水和天然河水)有效捕獲和清除氰化物。AuCo@G兼具穩(wěn)定性與對(duì)氰化物的捕獲能力,利用AuCo@G的2D峰作為內(nèi)標(biāo),富集后識(shí)別氰化物的靈敏度可達(dá)到5.0 nM,有效提高了SERS分析精度[41](圖3D)。

3.1.2生物檢測

SERS的高靈敏度使其能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中多分析物的生物檢測。Zhao等人[49]開發(fā)了一種炔烴修飾的Au@G作為SERS增強(qiáng)基底,用于以乙腈為內(nèi)標(biāo)、炔烴為拉曼報(bào)告分子的堿性磷酸酶(ALP)的比例檢測。該增強(qiáng)基底可在拉曼靜默區(qū)定量檢測堿性磷酸酶的活性,線性范圍為0.002-1 U L-1,檢測限低至0.13 mU L-1,實(shí)現(xiàn)了簡單、穩(wěn)定、可靠的SERS醫(yī)學(xué)診斷(圖4A-B)。由于SERS的即時(shí)檢測面臨復(fù)雜環(huán)境中其他分子的干擾,如非目標(biāo)分子在底物上的競爭性吸附可能導(dǎo)致分析與定量結(jié)果不準(zhǔn)確[54]。為解決以上挑戰(zhàn),Zhang等人以Au@G為增強(qiáng)基底,通過引入2D峰作為內(nèi)標(biāo)以減少檢測系統(tǒng)中的其他物質(zhì)如酸、堿、蛋白質(zhì)等的干擾,對(duì)具致癌性的結(jié)晶紫(CV)進(jìn)行檢測,線性相關(guān)系數(shù)可從0.778顯著提高到0.996[55]。此外,利用Au@G對(duì)魚肌肉和鱗片中的CV進(jìn)行SERS檢測,且無需復(fù)雜的樣品前處理過程(圖4D-F)。Zou等人利用Au@G對(duì)與黃疸發(fā)病機(jī)制相關(guān)的膽紅素進(jìn)行SERS痕量檢測[44]。該方法無需樣品預(yù)處理,且具有優(yōu)異的抗干擾能力,為臨床檢測膽紅素提供了高靈敏的SERS平臺(tái)(圖4C)。

圖4 A.檢測堿性磷酸酶(ALP)的Au@G增強(qiáng)基底示意圖;B.有(紅色)、無(黑色)ALP時(shí)的SERS光譜[49];C.胎牛血清(FBS)中的Au@G表面的BR的吸附過程[44]。D.CV檢測示意圖;E.魚肌肉上的CV檢測;F.魚鱗上的CV檢測SERS光譜,M、S分別代表魚肉,鱗片[55]

金屬烯碳納米囊的SERS檢測由于具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和抗干擾性,因此進(jìn)一步擴(kuò)大了金屬烯碳納米囊在生物體內(nèi)檢測的應(yīng)用。Song等人利用改性AgCu@G檢測羅非魚肌肉樣品中的孔雀石綠(MG)和白孔雀石綠(LMG)(圖5A),并利用AgCu@G的固有SERS信號(hào)作為內(nèi)標(biāo)校準(zhǔn)檢測結(jié)果[56]。Liu等人將Ag@G包埋于蠶絲膜中制成具有優(yōu)異穩(wěn)定性、光學(xué)透明性的柔性SERS基底,實(shí)現(xiàn)了小鼠傷口模型中細(xì)菌的原位檢測(圖5B)[57]。隨后,Wang等人進(jìn)一步開發(fā)了用于無標(biāo)記、非入侵性獲取分子信息的檢測平臺(tái)(圖5C)。在指紋處SERS平臺(tái)的原位構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)了指紋殘留物的檢測[58]。實(shí)現(xiàn)脂溶性和水溶性物質(zhì)的協(xié)同分析檢測是在生物體內(nèi)檢測的重要突破,Zhang等人提出了一種基于Au@G在兩相界面的自組裝,且無需任何表面活性劑和誘導(dǎo)劑的檢測策略,在小鼠血液內(nèi)進(jìn)行對(duì)藥物模型分子的多重SERS檢測(圖5D),實(shí)現(xiàn)了多相界面的簡單、靈敏的SERS檢測[59]。Tang等人同樣使用界面組裝的Au@G作為SERS基底和分析物富集平臺(tái),構(gòu)建的激光介導(dǎo)的痕量待測物富集策略,避免了“咖啡環(huán)效應(yīng)”引起的信號(hào)波動(dòng),有望為復(fù)雜樣品的檢測提供可靠的SERS分析平臺(tái)[60]。

圖5 A.不同溶劑洗滌受污染魚肌肉中的LMG的SERS檢測[56];B.金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在體內(nèi)的SERS指紋譜的差異[57];C.用于SERS分析的等離激元陣列構(gòu)建的示意圖[61,58];D.小鼠注射CV和BPEA的血液SERS分析示意圖[59]

3.2 金屬烯碳納米囊用于成像

SERS成像的空間分辨率高,可重復(fù)多次成像,具有很大的應(yīng)用潛力。但常用的金、銀或銅等SERS基底在成像過程中對(duì)外部環(huán)境較為敏感[62],與金屬直接接觸的檢測物在強(qiáng)烈或長時(shí)間的激光照射下會(huì)引起信號(hào)分子或附近雜質(zhì)分子的光碳化[63],導(dǎo)致SERS成像不準(zhǔn)確和重現(xiàn)性差等問題,因此精確控制產(chǎn)生拉曼信號(hào)的分子和金屬探針之間的距離,同時(shí)提高SERS探針的穩(wěn)定性,對(duì)于SERS成像同樣至關(guān)重要。

為了解決這個(gè)問題,在金屬表面上引入烯碳納米囊,以保護(hù)金屬探針不直接與待測分子接觸,以保護(hù)內(nèi)部金核免受氧化,提高了金屬探針的穩(wěn)定性[63]。同時(shí),烯碳納米囊具有獨(dú)特和易于分辨的拉曼信號(hào):D峰(1355 cm-1)、G峰(1590 cm-1)和2D峰(2706 cm-1),且2D峰不受生物分子的干擾(1800-2800 cm-1),使實(shí)現(xiàn)精確生物成像成為可能[64]。

3.2.1生物成像

2014年,Bian等報(bào)道了一種用于乳腺癌細(xì)胞MCF-7多模成像的Au@G[50],Au@G在D和G峰的強(qiáng)而簡單的共振拉曼信號(hào),可以用作細(xì)胞成像的良好拉曼探針(圖6A),Zou等進(jìn)一步證明了Au@G在活生物體線蟲中的精確成像(圖6B)[46]。為了實(shí)現(xiàn)更高的拉曼信號(hào)增強(qiáng)和成像,調(diào)節(jié)Au@G的形態(tài)以實(shí)現(xiàn)更好的LSPR十分重要。由于金納米棒具有可調(diào)諧的局域表面LSPR,因此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[65]。2017年,Dong等人利用Au納米棒烯碳納米囊(AuNR@G)對(duì)Hela細(xì)胞進(jìn)行成像,AuNR@G 的D峰和G峰都可用于拉曼成像(圖6C),并顯示出優(yōu)異的成像能力[47]。為了提高AuNR@G對(duì)目標(biāo)組織樣本的靶向能力,在AuNRs@G表面修飾SYL3C適配體靶向EpCAM(癌細(xì)胞特異性標(biāo)志物),實(shí)現(xiàn)了對(duì)癌組織的選擇性成像[40](圖6D)。此外,2019年,Zhang等人在Au烯碳納米囊中摻入Co成功制備了AuCo@G,可實(shí)現(xiàn)氰根在線蟲中的分布成像[41](圖7A)。以上結(jié)果充分驗(yàn)證了金屬烯碳納米囊在細(xì)胞、組織和生物體中的成像能力,并且在修飾特異性識(shí)別分子(核酸適體、抗體等)后能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)選擇性成像,提高成像的精準(zhǔn)度和靶向性。

圖6 A. MCF-7細(xì)胞在有無Au@G孵育的拉曼成像。比例尺=10 μm[50];B. Au@G用于秀麗隱桿線蟲的SERS成像。比例尺=200 μm[46];C.具有AuNR@G的HeLa細(xì)胞的拉曼圖像[65];D. AuNR@G對(duì)大鼠癌性乳腺癌和正常肝組織的靶向拉曼成像。比例尺=10 μm[40]

圖7 A. AuCo@G在秀麗隱桿線蟲和外源氰化物中的SERS成像,比例尺=100 μm[41];B.對(duì)感染銅綠假單胞菌的秀麗隱桿線蟲進(jìn)行氰化物的SERS成像,比例尺=200 μm[57];C.炔烴-PEG-功能化AgCu@G的MCF-7細(xì)胞的SERS成像,比例尺=10 μm[51];D. AgAu@G細(xì)胞成像,MCF-7細(xì)胞的高分辨率SERS成像[8]

盡管Ag的光學(xué)橫截面更大,成本更低,但由于Ag不耐腐蝕,因此降低了等離子體信號(hào)并限制了SERS應(yīng)用。與Au@G相比,Ag@G更強(qiáng)的LSPR效應(yīng)使其在SERS成像方面具有潛力。為了解決這個(gè)問題,Liu等人通過Ag@G實(shí)現(xiàn)了CV分子的拉曼成像(圖7B),最低檢測限可達(dá)10-10M[57]。Song等人合成了AgCu@G[51],不僅可以耐強(qiáng)酸腐蝕,AgCu@G烯碳?xì)由闲揎椀娜矡N-聚乙二醇在細(xì)胞的拉曼靜默區(qū)域具有強(qiáng)烈的拉曼振動(dòng),可以對(duì)MCF-7產(chǎn)生更準(zhǔn)確的共定位(圖7C)。2021年,Li等人合成了AgAu@G[8],結(jié)合了雙金屬優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),并實(shí)現(xiàn)了MCF-7的拉曼成像(圖7D)。開發(fā)基于Ag的金屬烯碳納米囊進(jìn)一步推進(jìn)了拉曼成像探針的靈敏度和穩(wěn)定性。

3.2.2防偽應(yīng)用

由于界面介導(dǎo)的納米晶體自組裝為傳感、催化或光子學(xué)提供了極好的策略,因此金屬烯碳納米囊也可以應(yīng)用于多重編碼、防偽等領(lǐng)域。2014年,Nie等人報(bào)道了一個(gè)以FeCo@G為模板的聚二乙炔組裝和光聚合組成的多功能自組裝系統(tǒng)[66]。其可逆的顏色變化、強(qiáng)而獨(dú)特的拉曼散射、熒光發(fā)射、靈敏的近紅外熱響應(yīng)和獨(dú)特的磁性特性為該組裝系統(tǒng)提供了多重編碼防偽能力(圖8A)。隨后,Wang等人進(jìn)一步利用Au@G開發(fā)了潛指紋(LFP)的成像和個(gè)人信息的獲取方法[58],烯碳納米囊增強(qiáng)的D峰和G峰使Au@G成為LFP超靈敏的SERS成像探針,顯著的拉曼峰可以清楚地識(shí)別LFP的代表性拉曼特征峰(圖8B)。

圖8 A. FeCo@G@PDA裝配系統(tǒng)的多碼防偽應(yīng)用[66];B. Au@G的界面自組裝用于潛指紋識(shí)別[58]

4 總結(jié)與展望

本綜述系統(tǒng)性地總結(jié)了CVD方法制備金屬烯碳納米囊的機(jī)理、性質(zhì)和分類,并分別介紹了金屬烯碳納米囊在分析檢測和生物成像的研究進(jìn)展。根據(jù)核殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部金屬的組成差異,可以將金屬烯碳納米囊分為以下三類:單金屬烯碳納米囊、合金烯碳納米囊和復(fù)合烯碳納米囊。烯碳?xì)硬粌H提供了保護(hù)性能,且?guī)缀醪挥绊憙?nèi)部金屬的SERS增強(qiáng)效果,賦予了金屬烯碳納米囊在各種環(huán)境下具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性以及良好的SERS靈敏度,使得金屬烯碳納米囊在生理環(huán)境、酸性環(huán)境、氧化還原環(huán)境和油脂環(huán)境均具有穩(wěn)定的SERS信號(hào)輸出。因此,金屬烯碳納米囊具有廣泛的應(yīng)用前景。

金屬烯碳納米囊具有以下特點(diǎn):(1)可避免待測分子和外界復(fù)雜環(huán)境中的分子與內(nèi)部金屬核直接接觸,既減少了待測物分子的光碳化,也避免了不必要的副反應(yīng);(2)固有的D、G和2D三個(gè)拉曼散射特征峰可以作為穩(wěn)定的拉曼標(biāo)簽或者內(nèi)標(biāo);(3)基底表面具有大的比表面積,能夠通過疏水或者π-π相互作用捕獲待測分子或者負(fù)載靶向分子,可實(shí)現(xiàn)特異性檢測以及靶向分析和成像;(4)能夠通過FRET過程有效猝滅生物體系的背景熒光信號(hào)或者熒光探針的信號(hào),有效減弱熒光對(duì)SERS信號(hào)的干擾;(5)可通過界面自組裝為傳感提供檢測分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多重編碼以及防偽。基于以上眾多優(yōu)勢,結(jié)合金屬烯碳納米囊內(nèi)部金屬核優(yōu)異的SERS和雙光子發(fā)光性能,可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的靈敏分析、區(qū)分革蘭氏陰性菌和陽性菌、指紋中殘留分子的鑒定和識(shí)別、癌細(xì)胞或組織的靶向SERS成像;利用合金烯碳納米囊多元金屬內(nèi)核的其它性質(zhì),AuCo@G可實(shí)現(xiàn)對(duì)氰化物的捕獲檢測與清除,磁分離富集進(jìn)一步提高了SERS靈敏度;此外,利用復(fù)合烯碳納米囊獨(dú)特的內(nèi)標(biāo)納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),該結(jié)構(gòu)由在烯碳磁性納米囊上修飾的大量金納米顆粒(AuNPs)組成,以解決傳統(tǒng)內(nèi)標(biāo)相關(guān)的問題。減弱的背景干擾以及優(yōu)異的穩(wěn)定性,大大提高了SERS的定量精度,可減少富集損失和分析物分布不均勻引起的定量誤差。除了更改金屬核的組成成分,金屬烯碳納米囊的表面修飾也被進(jìn)一步探究,核酸適體修飾的金屬烯碳納米囊可實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞、組織水平的靶向SERS成像,實(shí)現(xiàn)了生物分子的SERS分析。

截至目前,金屬烯碳納米囊已經(jīng)在SERS分析檢測、生物SERS成像和防偽應(yīng)用等取得了突破性的進(jìn)展,但在生物體內(nèi)的探索仍面臨挑戰(zhàn)。金屬烯碳納米囊在非生命體系中展現(xiàn)出優(yōu)異的分析能力,在細(xì)胞水平上也具有良好的細(xì)胞相容性和血液相容性,目前也進(jìn)一步應(yīng)用于小鼠疾病模型的體內(nèi)治療,但是在大型哺乳動(dòng)物中尚未有相關(guān)的數(shù)據(jù)支持,且長期納米毒性依舊處于不清晰的階段。因此后續(xù)的工作將致力于探索金屬烯碳納米囊在小型哺乳動(dòng)物中的長期毒性,器官分布以及主要代謝途徑,并拓展金屬烯碳納米囊在大型哺乳動(dòng)物模型中的原位SERS檢測。此外,開發(fā)具有多功能的新型金屬烯碳納米囊對(duì)于發(fā)展超穩(wěn)定的SERS基底也同樣非常重要。然而,合金的形成以及烯碳?xì)拥纳L條件苛刻,開發(fā)新型的金屬烯碳納米囊合成技術(shù)也是未來的突破口,這將極大地提高金屬烯碳納米囊功能的豐度。我們相信金屬烯碳納米膠囊在不久的將來會(huì)應(yīng)用到更多極端環(huán)境(如:高壓高滲的海底、極酸或極堿的環(huán)境等)中的SERS檢測與成像。