专利名称：具有高sers效应的核壳纳米金生物探针及制备和应用的制作方法
具有高SERS效应的核壳纳米金生物探针及制备和应用技术领域
本发明属于纳米材料的功能化及应用领域,涉及一种具有高SERS效应的核壳纳 米金生物探针的制备方法，可应用于生物分子检测及细胞成像等领域。
背景技术：
表面增强拉曼散射(SurfaceEnhanced Raman scattering, SERS)是指位于粗糖 金属表面的小分子本身的拉曼信号得到增强的现象。这种现象已在表面科学、分析科学和 生物科学等领域得到广泛的应用，为深入表征各种表面(界面)的结构和过程提供分子水平 上的信息，如鉴别分子或离子在表面的键合、构型和取向以及材料的表面结构。关于SERS 的增强机制，虽然到目前仍存在争议，但较为认可的是电磁场增强机理，而该机理中涉及到 的“热点”(hot spot)—般是指在一些纳米粒子组成的聚集体中，相邻的纳米粒子之间的空 隙之处的区域。此区域的SERS效应最强。如何能构建高效均一含有更多的“热点”的SERS 基底，已成为SERS研究领域的热点和难点。
现在的研究中，构建高效均一基底的常见方法有如下几种1、金属电极活性基底，这是目前使用较为广泛的一种基底。通过电极表面进行适当的 粗糙化处理，可以产生粗糙度基本处于宏观粗糙度与亚微观粗糙度范围内。这种方式的缺 点是多数金属经过处理后，表面粗糙尺度变化范围较大，造成基底上个点表面增强效应变 化很大，这种结构上的不均一性直接影响了吸附分子的SERS光谱的稳定性及数据的重现 性。
2、化学刻蚀和化学沉积的活性基底，是通过强腐蚀性物质把金属表面的原子通过 化学反应溶解掉来达到表面粗糙化的目的。这种方式的缺点是反应条件较难控制、沉积的 时间、反应的温度、试剂的浓度等都对基底的粗糙度有影响。
另外还有平板印刷技术、自助装技术、有序组装技术等来制备活性基底，但都存在 各自的缺点从而限制了 SERS技术的发展及应用。发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有高SERS效应的核壳纳米生物探 针的制备方法，除了本身具备纳米材料的一切特性外，还能作为一种高效的拉曼探针应用 于生物分子检测及细胞成像等领域。
一种具有高SERS效应的核壳纳米生物探针的制备方法，其特征在于，在小粒径纳 米金表面修饰一层小分子后，再进行生长，在金核表面再形成一层金壳，金核壳之间缝隙间 存在具有拉曼信号的小分子，步骤如下(1)纳米金核表面组装DNA；(2)组装混合物进行老化处理；(3)离心洗涤后得到溶液I;(4)纳米金核表面组装小分子；(5)离心洗涤后得到溶液II；(6)纳米金核表面进行金壳的生长；(7)金核结构离心洗涤；所述纳米金核为粒径5 15nm的纳米金。
步骤(I)所述组装为纳米金核中加入SH-polyA DNA，且终浓度为O.1 5 μ M，室温轻微振荡过夜。
步骤(2)所述老化处理条件为加O. 01 1Μ，pH为7. 4的磷酸缓冲溶液(PB)，室温条件350rpm/min振荡30 120分钟，后加入I 5M氯化钠，终浓度为O.1 O. 15M，且分四次加入，间隔为30分钟，室温下350rpm/min振荡过夜。
步骤(3)、(5)所述离心洗涤条件为4°C，15000 12000rpm/min，20分钟，三次，洗涤液为PB (IOmM, ρΗ7· 4)，后O.1M磷酸盐缓冲液(PBS，ρΗ7· 4)重悬浮。
步骤(4)所述纳米金核表面组装的是具有明显特征峰的小分子，具体为2，3_ 二氮杂萘(PHTH)、5，5’-二硫双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)、花青类染料、荧光素异硫氰酸酯(FITC)、吡啶中的一种或其组合，组装条件为1-100 UL, O.1 IM小分子溶液加入到 5 μ L 5mL溶液I中，室温下350rpm/min振荡，吸附2 3天。
步骤(6)所述金壳的生长条件为溶液II中依次加入O.1 5%聚乙烯基吡咯烷酮水溶液(PVP)，盐酸羟胺水溶液(NH20H*HC1)，0. 01 1%氯金酸水溶液(HAuC14)，混匀振荡 I分钟。
步骤(7)所述金核结构离心洗涤条件为20°C，3000 10000rpm/min，6分钟，三次，洗涤液为Mill1-Q水，后10 1000 μ LMill1-Q水重悬浮。
本发明还提供一种具有高SERS效应的核壳纳米金探针,所述核壳纳米金探针粒径为30 50纳米，浓度为0.1 InM。
本发明还提供一种具有高SERS效应的核壳纳米金探针在生物分子检测及细胞成像领域的应用，可得到高灵敏SERS信号。将制备的该探针表面组装生物分子，可以特异性地识别靶细胞表面受体，利用激光拉曼光谱仪对细胞进行检测及成像所得到的表面增强拉曼散射信号也将高效地 反应细胞表面受体的表达。其应用过程如下(1)碱性溶液调整核壳纳米金溶液pH:碱性溶液为0.1 2M氢氧化钠、碳酸钾(K2C03)、 或碳酸氢钾(KHCO3)、或碳酸氢钠(NaHCO3)中的一种，将溶液pH值调整为8 10 ;(2)加入生物分子，在其表面进行组装生物分子为蛋白质(抗体)、或多肽、或DNA (aptamer);组装条件为室温30 120分钟；(3)离心洗涤4°C，3000-10000rpm/min，5min，三次，洗涤液为Mill1-Q 水；(4)与生物分子的靶物质共培养靶物质为细胞、蛋白质(抗体)、DNA序列中的一种。
本发明通过在小粒径纳米金表面组装一段DNA序列及拉曼小分子，通过还原法在金核表面生成一定厚度的金壳，核壳之间存在一定尺寸的缝隙，拉曼小分子就存在此缝隙中，并由于此结构的特殊性而得到高效的SERS信号。本发明的优点是拉曼小分子存在金核壳之间的固定尺寸的缝隙中，从而每个分子所在的区域即“热点”区域产生的SERS信号基本一致，且有着很好的重复性。
壳纳米金生物探针结构将大大增强小分子的拉曼信号。将制备的该探针表面组装生物分子，可以特异性地识别靶细胞表面受体，可利用激光拉曼光谱仪对细胞进行检测及成像，同时所得到的表面增加拉曼散射值也将高效地反应细胞表面受体的表达。
图1为使用不同拉曼小分子制备的核壳纳米金探针的拉曼光谱图。
图a 为 DTNB，图 b 为 Cy3。
图2是附着PHTH小分子的核壳纳米金生物探针应用于细胞检测时细胞表面随机选取数点进行拉曼检测所得的光谱图。
a线为使用该发明中探针所得光谱图，b线为小分子吸附在纳米金表面与细胞作用后所得光谱图，c线为无探针与细胞相作用时所得光谱图。
图3是在PHTH特征峰处，该核壳纳米金探针与纳米金_小分子探针的SERS效应比较结果。
具体实施方式
实施例1 :100 μ L，IOnM粒径为15nm的纳米金中加入4 μ L，100 μ M SH-polyA DNA,室温轻微振荡过夜；后加入老化液O.1M PB(pH7. 4)溶液10 μ L，室温条件350rpm/min振荡30min，后加入 2M NaCl 2(^1^，分四次加入，间隔为3011^11，室温下350rpm/min振荡过夜；4°C，12000rpm/ min，20min条件下进行离心洗涤三次，洗涤液为IOmMPB，后ImLO.1M PBS重悬浮；100yL O.1M PHTH小分子溶液加入到500 μ L上述溶液中，室温下350rpm/min振荡，吸附2_3天。 取 100 μ L 上述溶液然后加入 50 μ L1%PVP，25 μ L IOmM NH2OH · HCl，25 μ L 5mM HAuCl4, 混勻振荡Imin后20°C, 4000rpm/min,每次6min离心洗洚三次，洗漆液为MilliQ水，后 100 μ LMilliQ水重悬浮；该方式制备得到的粒径在40-50nm，浓度为InM，具备酞嗪(PHTH) 高增强特征峰的一种核壳纳米金拉曼探针。取200 μ L该核壳探针，加入20 μ L O.1M NaOH 溶液，PH值为10后加入20 μ L，25 μ M多肽溶液，混合均匀后，室温30min组装。后4°C， 5000rpm/min，5min洗涤3次，洗涤液为Mill1-Q水，沉淀物用细胞培养液重悬浮。取100 μ L 加入到含2mL培养液的培养皿中于37°C，5. 0% 二氧化碳的细胞培养箱与细胞共培养lh，后 PBS溶液清洗2次，加入甲醛固定液室温固定lOmin，MilliQ水冲洗3次，激光拉曼光谱仪下检测。
实施例2 100 μ L，IOnM粒径为15nm的纳米金中加入4 μ L，100 μ M SH-polyA DNA,室温轻微振荡过夜；后加入老化液O.1M PB(pH7. 4)溶液10 μ L，室温条件350rpm/min振荡30min，后加入 2M NaCl 2(^1^，分四次加入，间隔为3011^11，室温下350rpm/min振荡过夜；4°C，12000rpm/ min，20min条件下进行离心洗涤三次，洗涤液为IOmMPB，后ImLO.1M PBS重悬浮；100 μ L O.1M酞嗪PHTH小分子溶液加入到500 μ L上述溶液中，室温下350rpm/min振荡，吸附2_3 天。取 100 μ L 上述溶液然后加入 50 μ L1%PVP，25 μ L IOmM NH2OH .HCl，25 μ L 5mM HAuCl4, 混勻振荡Imin后20°C,4000rpm/min,每次6min离心洗 洚三次，洗漆液为MilliQ水，后 100 μ LMilliQ水重悬浮；该方式制备得到的粒径在40-50nm，浓度为InM，具备酞嗪(PHTH) 高增强特征峰的一种核壳纳米金拉曼探针。取200 μ L该核壳探针，加入20 μ L O.1M NaOH 溶液，pH值为10后加入20 μ L，2%PEG溶液，混合均匀后，室温30min组装。后4°C，5000rpm/min，5min洗涤3次，洗涤液为Mill1-Q水，沉淀物用细胞培养液重悬浮。取100 μ L加入到含2mL培养液的培养皿中于37°C，5. 0% 二氧化碳的细胞培养箱与细胞共培养lh，后PBS溶液清洗2次，加入甲醛固定液室温固定lOmin，Mill1-Q水冲洗3次，激光拉曼光谱仪下检测。
实施例3 100 μ L，IOnM粒径为15nm的纳米金中加入4 μ L，100 μ M SH-polyA DNA,室温轻微振荡过夜；后加入老化液O.1M PB(pH7. 4)溶液10 μ L，室温条件350rpm/min振荡30min，后加入 2M NaCl 2(^1^，分四次加入，间隔为3011^11，室温下350rpm/min振荡过夜；4°C，12000rpm/ min，20min条件下进行离心洗涤三次，洗涤液为IOmMPB，后ImLO.1M PBS重悬浮；100yLO.1M DTNB小分子溶液加入到500 μ L上述溶液中，室温下350rpm/min振荡，吸附2_3天。 取 100 μ L 上述溶液然后加入 50 μ L1%PVP，25 μ L IOmM NH2OH · HCl，25 μ L 5mM HAuCl4, 混勻振荡Imin后20°C,4000rpm/min,每次6min离心洗洚三次，洗漆液为Mill1-Q水,后 100 μ LMill1-Q水重悬浮；该方式制备得到的粒径在40-50nm，浓度为InM，具备DTNB高增强特征峰的一种核壳纳米金拉曼探针。
实施例4 100 μ L，IOnM粒径为15nm的纳米金中加入4 μ L，100 μ M SH-polyA DNA,室温轻微振荡过夜；后加入老化液O.1M PB(pH7. 4)溶液10 μ L，室温条件350rpm/min振荡30min，后加入 2M NaCl 2(^1^，分四次加入，间隔为3011^11，室温下350rpm/min振荡过夜；4°C，12000rpm/ min，20min条件下进行离心洗涤三次，洗涤液为IOmMPB，后ImLO.1M PBS重悬浮；100yLO.1M Cy3小分子溶液加入到500 μ L上述溶液中，室温下350rpm/min振荡，吸附2_3天。 取 100 μ L 上述溶液然后加入 50 μ L1%PVP，25 μ L IOmM NH2OH · HCl，25 μ L 5mM HAuCl4, 混勻振荡Imin后20°C,4000rpm/min,每次6min离心洗洚三次，洗漆液为Mill1-Q水,后 100 μ LMill1-Q水重悬浮；该方式制备得到的粒径在40-50nm，浓度为InM，具备Cy3高增强特征峰的一种核壳纳米金拉曼探针。
实施例5 100 μ L，IOnM粒径为15nm的纳米金中加入4 μ L，100 μ M SH-polyA DNA,室温轻微振荡过夜；后加入老化液O.1M PB(pH7. 4)溶液10 μ L，室温条件350rpm/min振荡30min，后加入 2M NaCl 2(^1^，分四次加入，间隔为3011^11，室温下350rpm/min振荡过夜；4°C，12000rpm/ min，20min条件下进行离心洗涤三次，洗涤液为IOmMPB，后ImLO.1M PBS重悬浮；100yLO.1M吡啶小分子溶液加入到500 μ L上述溶液中，室温下350rpm/min振荡，吸附2_3天。 取 100 μ L 上述溶液然后加入 50 μ L1%PVP，25 μ L IOmM NH2OH · HCl，25 μ L 5mM HAuCl4, 混勻振荡Imin后20°C,4000rpm/min,每次6min离心洗洚三次，洗漆液为Mill1-Q水,后 100 μ LMill1-Q水重悬浮；该方式制备得到的粒径在40-50nm，浓度为InM，具备吡啶高增强特征峰的一种核壳纳米金拉曼探针。
实施例6 100 μ L，IOnM粒径为15nm的纳米金中加入4 μ L，100 μ M SH-polyA DNA,室温轻微振荡过夜；后加入老化液0.1M PB(pH7. 4)溶液10 μ L，室温条件350rpm/min振荡30min，后加入 2M NaCl 2(^1^，分四次加入，间隔为3011^11，室温下350rpm/min振荡过夜；4°C，12000rpm/ min，20min条件下进行离心洗涤三次，洗涤液为IOmMPB，后ImLO.1M PBS重悬浮；100yLO.1M FITC小分子溶液加入到500 μ L上述溶液中，室温下350rpm/min振荡，吸附2_3天。 取 100 μ L 上述溶液然后加入 50 μ L1%PVP，25 μ L IOmM NH2OH · HCl，25 μ L 5mM HAuCl4, 混勻振荡Imin后20°C,4000rpm/min,每次6min离心洗洚三次，洗漆液为Mill1-Q水,后 100 μ LMill1-Q水重悬浮；该方式制备得到的粒径在40-50nm，浓度为InM，具备FITC高增强特 征峰的一种核壳纳米金拉曼探针。
权利要求
1.一种具有高SERS效应的核壳纳米生物探针的制备方法，其特征在于，在小粒径纳米金表面修饰一层小分子后，再进行生长，在金核表面再形成一层金壳，金核壳之间缝隙间存在具有拉曼信号的小分子，步骤如下纳米金核表面组装DNA ；组装混合物进行老化处理；离心洗涤后得到溶液I;纳米金核表面组装小分子；离心洗涤后得到溶液II ；纳米金核表面进行金壳的生长；金核结构离心洗涤。
2.根据权利要求1所述具有高SERS效应的核壳纳米生物探针的制备方法，其特征在于，所述纳米金核为粒径5 15nm的纳米金。
3.根据权利要求1所述具有高SERS效应的核壳纳米生物探针的制备方法，其特征在于，步骤(I)所述组装为纳米金核中加入SH-polyA DNA,且终浓度为O.1 5 μ M，室温轻微振荡过夜。
4.根据权利要求1所述具有高SERS效应的核壳纳米生物探针的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述老化处理条件为加O. 01 1Μ，ρΗ为7. 4的磷酸缓冲溶液(PB)，室温条件350rpm/min振荡30 120分钟，后加入I 5M氯化钠，终浓度为O.1 O. 15M，且分四次加入，间隔为30分钟，室温下350rpm/min振荡过夜。
5.根据权利要求1所述具有高SERS效应的核壳纳米生物探针的制备方法，其特征在于，步骤(3)、(5)所述离心洗涤条件为4°C，15000 12000rpm/min，20分钟，三次，洗涤液为PB (10mM，pH7. 4)，后O.1M磷酸盐缓冲液(PBS，pH7. 4)重悬浮。
6.根据权利要求1所述具有高SERS效应的核壳纳米生物探针的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述纳米金核表面组装的是具有明显特征峰的小分子，具体为2，3-二氮杂萘(PHTH)、5，5’ - 二硫双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)、花青类染料、荧光素异硫氰酸酯(FITC)、批啶中的一种或其组合，组装条件为1-1OOyUO.1 IM小分子溶液加入到5μ L 5mL溶液I中，室温下350rpm/min振荡，吸附2 3天。
7.根据权利要求1所述具有高SERS效应的核壳纳米生物探针的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述金壳的生长条件为溶液II中依次加入O.1 5%聚乙烯基吡咯烷酮水溶液(？￥ )，盐酸羟胺水溶液(順20!1*!1(1)，0. 01 1%氯金酸水溶液(HAuC14)，混匀振荡I分钟。
8.根据权利要求1所述具有高SERS效应的核壳纳米生物探针的制备方法，其特征在于，步骤(7)所述金核结构离心洗涤条件为20°C，3000 10000rpm/min，6分钟，三次，洗涤液为Mill1-Q水，后10 1000 μ LMill1-Q水重悬浮。
9.一种由权利要求1 8任意一项所述的方法制备得到的具有高SERS效应的核壳纳米金探针，所述核壳纳米金探针粒径为30 50纳米,浓度为0.1 InM。
10.由权利要求9所述具有高SERS效应的核壳纳米金探针在生物分子检测及细胞成像领域的应用，可得到高灵敏SERS信号；将制备的该探针表面组装生物分子，可以特异性地识别靶细胞表面受体，利用激光拉曼光谱仪对细胞进行检测及成像所得到的表面增强拉曼散射信号也将高效地反应细胞表面受体的表达；其应用过程如下(1)碱性溶液调整核壳纳米金溶液pH:碱性溶液为O.1 2M氢氧化钠、碳酸钾(K2CO3)、或碳酸氢钾(KHCO3)、或碳酸氢钠(NaHCO3)中的一种，将溶液pH值调整为8 10 ;(2)加入生物分子，在其表面进行组装生物分子为蛋白质(抗体)、或多肽、或DNA(aptamer);组装条件为室温30 120分钟；(3)离心洗涤4°C，3000-10000rpm/min，5min，三次，洗涤液为Mill1-Q 水； (4)与生物分子的靶物质共培养靶物质为细胞、蛋白质(抗体)、DNA序列中的一种。
全文摘要
一种具有高SERS效应的核壳纳米生物探针及制备和应用，通过在小粒径纳米金表面组装一段DNA序列及拉曼小分子后继续在纳米金核表面生成一定厚度的金壳，核壳之间存在一定尺寸的缝隙，拉曼小分子存在此缝隙中，并由于此结构的特殊性而得到高效均一的SERS信号。拉曼小分子存在金核壳之间的固定尺寸的缝隙中，从而每个分子所在的区域即“热点“区域产生的SERS信号基本一致，且有着很好的重复性。将制备的该探针表面组装生物分子，可以特异性地识别靶细胞表面受体，可利用激光拉曼光谱仪对细胞进行检测及成像，同时所得到的表面增加拉曼散射值也将高效地反应细胞表面受体的表达，另外此探针也可应用于生物传感器、生物分子检测等研究领域。
文档编号G01N21/65GK103048306SQ201210550608
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者颜娟, 宋世平, 樊春海, 何丹农 申请人:上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司