适配体功能化Au@pNTP@SiO2表面增强拉曼探针的制备及用于胶带转移潜指纹的拉曼成像研究

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摘 要 合成了核壳结构的表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)探针, 用于大型客体及曲面客体表面的潜指纹成像。以对硝基苯硫酚 (4-Nitrothiophenol,  pNTP) 为拉曼小分子, 修饰在纳米金表面, 然后在其表面覆盖一层SiO2壳层, 制备Au@ pNTP@SiO2核壳纳米结构, 经溶菌酶适配体功能化修饰制得SERS探针。对探针结构进行透射电镜(TEM)、能量色散光谱(EDS)和SERS增强效应的测试, 然后将探针与不同客体表面的老化潜指纹进行孵育, 使SERS探针与指纹嵴线中的溶菌酶结合, 用透明胶带转移指纹, 采用共聚焦拉曼显微镜进行SERS信号的检测、成像。结果表明, 核壳SERS探针粒径分布均一, 多集中于~60 nm, 具有优良的稳定性和分散性; SERS增强效应显著, 其信号强度高、重现性好, 并且在723、855、1081、1343 和1572 cm1处具有显著的特征峰。将SERS探针用于胶带潜指纹成像时, 不仅可呈现指纹的一级结构(图案), 而且指纹的二级结构(细节)如嵴中断、叉等结构也清晰可见。本研究发展的适配体功能化的SERS探针结合胶带转移潜指纹的指纹识别策略, 为法医学领域提供了一种有效的潜指纹识别方法, 并在食品安全等公共安全检测领域具有潜在应用价值。

关键词 表面增强拉曼光谱探针; 核壳纳米结构; 潜指纹; 拉曼成像

1 引 言

指纹因具有特异性和稳定性的特点, 在犯罪现场调查中发挥了重要作用[1,2]。犯罪现场的残留指纹除了目视即可看见的明显纹、手接触柔软物质留下的成型纹外, 还有一些肉眼不可见的潜指纹。潜指纹是法医最常接触到的指纹, 手接触身体分泌物(如汗液或油脂)再接触物体表面留下的指纹即为潜指纹[3, 4]。选择合适的方法增强潜指纹图谱的成像效果, 对于实际的法医鉴定具有重要意义。通常, 指纹的特征包括图案、细节和精细结构3个等级, 一级结构即图案包括常见的斗型指纹和簸箕型指纹, 二级结构细节是指纹线的一些交叉、中断等结构, 除此之外, 指纹的嵴线上分布着很多汗孔, 为指纹的三级结构。对于犯罪现场的一些残缺无法得到完整图案的指纹, 通过指纹细节确定身份至关重要; 其次, 随着网络化运行的指纹系统的健全, 指纹识别在社会服务领域、经济活动、社会管理, 甚至医疗诊断等方面也具有应用价值[5]。社会服务方面, 公民选举中, 运用指纹鉴别手段, 可有效杜绝重复投票等现象; 金融方面, 可以使用银行指纹密码箱; 安全防范方面, 重要场所、保密机构及住宅利用指纹识别可有效防止非法进入。然而, 多数可视化方法对于指纹成像基底选择性、通用性较差, 对于一些大型不可移动客体表面或曲面的指纹成像具有较大的挑战, 因此, 发展高分辨、普适化的指纹转移成像技术, 以实现大型不可移动客体表面及曲面潜指纹的细节和精细结构的识别具有重要的现实需求和意义。

目前, 根据客体的不同, 潜指纹显现方法可分为非渗透性、渗透性、半渗透性及多种客体表面的综合显现法[6], 对于非渗透性客体表面的潜在指纹的显现方法有光学显现法、粉末显现法、502胶显现法。渗透性客体表面潜指纹显现方法主要有茚三酮显现法和物理显影液显现法, 但显影液试剂具有易污染、价格昂贵、耗时久、工作液使用寿命短、对检材破坏性较强等缺点。由于半渗透性客体上潜在手印的显现较难处理, 通常使用几种显现技术的结合, 按照最佳的显现程序进行, 常见的熏显法、多金属沉积法作为适用于多种客体表面的综合显现法被广泛使用。近年来, 随着现代仪器分析技术的发展, 越来越多的新仪器被用于潜指纹的显现[7,8], 如荧光可视化[9~13]、场致发光法[14,15]、电化学发光法[16~19]和多金属沉积法[20~23]等, 极大地提高了潜指纹显现的灵敏度。另外, 质谱法[24~27]在对潜指纹成像的同时, 可得到潜指纹中特定化合物的详细化学信息, 但由于其局限于实验室使用, 且仪器复杂, 操作繁琐, 不适合现场调查检验。

表面增强拉曼散射技术(Surface enhanced raman scattering,  SERS)是一种振动光谱技术, 由于其谱线宽度窄、灵敏度高、不受水分子干扰及对检测体系的非破坏性特点, 被广泛用于疾病诊断、分子检测、食品安全检测以及环境检测等领域[28~32]。基于SERS的潜指纹成像技术近年来备受关注[33~36]。然而, SERS技术存在信号不均一、重现性差等问题, 而核壳纳米结构的出现为有效解决该问题提出了方案。目前, SERS技术对潜指纹可视化的报道多集中于對客体表面指纹的直接可视化分析, 对于大型不可移动客体表面及曲面物体表面潜指纹的可视化具有较大的挑战, 因此, 基于界面转移的潜指纹成像方法开始受到关注[34,37,38], 如Zhao等[34,35]使用聚多巴胺(PDA)膜包覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)及等离子体银纳米颗粒(AgNPs@PDA@PDMS), 覆盖具有潜指纹的客体表面, 同时实现潜指纹转移与成像。然而, PDMS的制作成本较高, 制作工艺也较为复杂, 不适于日常使用。

寡核苷酸适配体是通过体外选择技术, 即指数富集的配体系统进化技术(SELEX)筛选出来的对靶标具有特异性的单链寡核苷酸, 与抗原抗体相比, 适配体具有更高的生物稳定性[39,40]。人体汗液中有四百余种多肽, 溶菌酶即为其一, 且在指纹嵴线中大量分布, 其适配体已被成功筛选出来[41,42]。本研究使用常见透明胶带转移潜指纹, 并与SERS成像技术和适配体识别技术相结合, 实现大型客体表面及曲面客体表面潜指纹的可视化。利用壳层隔离纳米颗粒合成方法制备对硝基苯硫酚嵌入的金-二氧化硅-核壳纳米结构(Au@pNTP@SiO2), 对硝基苯硫酚(4-Nitrothiophenol,  pNTP)分子嵌于金核与二氧化硅壳层中间, 溶菌酶适配体作为核酸识别序列, 组装在核壳结构表面, 制得对溶菌酶有特异性识别作用的SERS探针。探针与指纹孵育, 并使用胶带将指纹连带修饰的SERS探针轻轻转移至胶带表面, 被转移后的潜指纹可在共聚焦拉曼显微镜下, 以拉曼信号分子pNTP的特征峰(1350 cm1)进行检测成像。探针合成以及检测示意图见图1。

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