表面增强红外光谱在生物分析中的应用.pdfVIP

第 40卷 分析化学 (FENXIHUAXUE) 特约来稿 第 7期 2012年 7月 ChineseJournalofAnalyticalChemistry 975～982 DOI：10．3724／SP．J．1096．2012．11148 表面增强红外光谱在生物分析中的应用 王立旭 姜秀娥 (中国科学院长春应用化学研究所 电分析化学 国家重点实验室，长春 130022) 摘 要 表面增强红外光谱可以在单分子水平上原位监测界面吸附分子的振动变化，提供定向和构象的信 息 ，因而备受关注。本文简单介绍 了表面增强红外光谱产生、增强机制、基底制备方法 、特点，重点评述 了表面 增强红外光谱在原位解析复杂 的生物界面过程和结构变化方面的进展 ，并展望其发展前景 。 关键词 表面增强红外光谱 ；单分子层 ；界面 ；生物分析 ；综述 1 引 言 近年来 ，因生物医用材料 、生物传感器、生物燃料电池的快速发展 ，许多与生物体系相关的表面和界 面问题引起了人们 的广泛关注 】。因相关技术的应用开发都会涉及到将生物分子 (蛋 白质、DNA等)固 定于特定的基底表面 (如电极)而实现特定的生物学功能 。因此 ，生物大分子在界面的固定和结构功 能研究备受关注 。尽管许多常用技术 ，如 电化学、表面等离子体共振 (SPR)、石英 晶体微天平 (QCM)被 用于研究界面生物大分子的特性 ，但是不能给 出结构变化 的信息。基于表面增强拉曼光谱 (Surface— enhancedramanscattering，SERS)的研究虽然可以提供结构信息，但是受共振条件的限制 ，只能给出生物 大分子生色团结构变化的信息。而红外光谱可以提供整个生物大分子 的振动情况 ，得到生物分子在生 理状态下结构变化的信息，且红外光对生物样品没有损伤，是研究生物分子结构变化和揭示生命现象本 质的重要手段之一4【】。但是 ，传统的红外光谱检测到的是多层生物分子的结构信息，很难得到单层分子 的红外振动变化 。 表面增强红外光谱 (Surface-enhancedinfraredabsorptionspectroscopy,SEIRAS)的出现为监测界面 单层生物分子的结构变化提供了可能。当分子吸附于粗糙贵金属表面上时 ，其分子的红外吸收强度增 强 10～1000倍以上。SEIRAS方法灵敏，能够检测到红外吸收的变化在 10数量级5【]。另外，SEIRAS的 表面选则定则简单 ，便于讨论分子吸附取向；其光学近场效应消除了溶剂的背景吸收，便于开展机理和 动态过程原位监测。本文简介了SEIRAS产生、增强机理、基底制备方法 、特点，重点评述 了表面增强红 外光谱在生物分析领域的进展。 2 表面增强红外光谱 (SEIRAS)的理论及其基底制备方法 2．1 SEIRAS的机理 20世纪70年代初 ，SERS的诞生拉开了表面增强光谱研究的序幕 ]。1980年,Hartstein等嘲首次发 现吸附在金属膜上的单层分子的红外吸收可以增强 20倍 ，该现象后来被定义为表面增强红外吸收效应 (Surface-enhancedinfraredabsorption，SEIRA)。SEIRA与 SERS在机理上有类似性 ，二者是互补 的研究 手段 。早期的工作主要是 日本科学家完成 的 。直到 1997年 匹兹堡会议后，由于 Osawa和 Nishikawa 等在表面增强红外理论和实验上取得的重大进展 ，尤其是在痕量分析上的进展使 SEIRA开始受到重 201卜1o-10收稿 ；201卜12-27接受 本文系国家 自然科学青年基金 (No，吉林省青年基金 (No．201101081)，中国科学 院院长基金和 中国博士后科学基金 (No．20100471274)资助项 目 E-mail：jiangxiue@ciacj．1．ell - 976 分 析 化 学 第 40卷 视 。早期工作主要研究 了芳香小分子在电极表面吸附构型以及 CO、有机