藥物分析領域拉曼光譜表面信號增強劑應用研究進展*

甘 盛，賴青鳥，李志成，韓 婷，吳超權

（1.廣西壯族自治區(qū)食品藥品檢驗所，廣西 南寧 530021；2.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004；3.河北聯(lián)合大學基礎醫(yī)學院藥理教研室，河北 唐山 053009）

藥物分析領域拉曼光譜表面信號增強劑應用研究進展*

甘 盛1，賴青鳥1，李志成2，韓 婷3，吳超權1

（1.廣西壯族自治區(qū)食品藥品檢驗所，廣西 南寧 530021；2.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004；3.河北聯(lián)合大學基礎醫(yī)學院藥理教研室，河北 唐山 053009）

表面增強拉曼光譜法(SERS)以其獨特優(yōu)勢在藥物分子研究中具有巨大的應用價值，其中拉曼光譜活性表面增強劑與藥物分子結合效果的好壞是該方法的關鍵所在。該文介紹了拉曼光譜表面信號增強劑與藥物分子結合的效果及其應用研究進展，總結了SERS增強劑對信號放大的特點，并展望了其在藥學方面的應用前景。

表面增強劑；拉曼光譜；藥物分子；應用

拉曼光譜作為一種日漸成熟的鑒定物質結構的分析方法，可快速、便捷、無損傷地進行定性定量分析檢測，且測試樣本無需進行前處理，可直接借助光纖探頭或玻璃、石英進行測量，在藥物分子研究和藥品鑒定方面有著廣泛的應用。表面增強拉曼光譜(SERS)檢測藥物的作用機制是利用活性基底吸附藥物分子，產生良好的信號放大效果。然而并不是所有吸附到基底表面的分子都能產生理想的SERS信號，影響表面增強拉曼效應的因素有很多，其中分子結構與增強基底的性質被認為是關鍵因素。在此介紹了SERS基底與藥物分子結合情況的研究進展，總結了SERS基底信號放大的特點。

1 SERS的機理

拉曼光譜作為一種散射光譜，能夠提供許多分子振動光譜的信息，還具有很多獨有優(yōu)勢，如無損性、操作簡便、無需制樣、迅速快捷等，以及可排除水的干擾這一紅外光譜所不具備的特性。更為重要的一點，拉曼信號在某些情況下會存在極大增強的現(xiàn)象，即SERS。SERS技術可以在分子水平上提供分子結構方面的信息[1]，現(xiàn)已越來越多地應用于藥物分析測試領域。借助SERS，可獲得與吸附分子空間取向方面的信息，為研究藥物分子提供了有力手段。

1928年，印度物理學家拉曼首先發(fā)現(xiàn)普通的拉曼光譜，但其靈敏度較低。樣品分子散射的光絕大部分為瑞利散射光，拉曼散射光強度僅為瑞利散射光強度的10-9～10-6，故長期制約著拉曼光譜技術的應用，僅作為紅外光譜的補充手段以鑒別分子的結構信息。雖然20世紀70年代的激光技術改善了光源強度，大大增強了拉曼信號，但單一的激發(fā)光波長還是阻礙了拉曼光譜的進一步發(fā)展。直到1974年，英國科學家 Fleischmann等[2]發(fā)現(xiàn)，當在電化學粗糙的銀電極上吸附有吡啶分子時，吡啶的常規(guī)拉曼信號強度出現(xiàn)了異常增強，SERS才走進人們的視野。隨著Jeanmaire和Albrecht等[3-4]對 SERS的深入研究，使得該方法能在很大程度上克服了響應值的困難，從此拉曼光譜得以在更寬的激發(fā)線范圍內進行超靈敏的檢測分析。

關于粗糙金屬表面吸附分子后拉曼散射得到巨大增強的現(xiàn)象，有許多不同的理論模型，目前主要有電磁增強模型和化學增強模型。電磁增強模型支持者認為，SERS的發(fā)生起源于金屬表面局域電場的增強，而化學增強模型支持者則認為是SERS與分子極化率的改變引起的，但兩種理論模型沒有對SERS產生的作用機制作出完全令人信服的解釋。兩種模型都能解釋部分增強現(xiàn)象，同時卻與另一些增強現(xiàn)象相矛盾，仍欠缺一個完善的理論解釋所有SERS的實驗特征[5]。因此認為，可能是兩種因素同時起作用，對SERS產生的貢獻隨體系的不同而變化[6]。

2 SERS的特點

SERS技術是研究與吸附分子有關的表面現(xiàn)象，可對吸附分子的確定種類、測定其在基底表面的取向、研究表面反應等研究提供強有力的工具[7-10]。SERS能夠產生放大效應的前提條件是，待測分子能夠吸附或非常接近于貴金屬納米結構的活性基底表面，除了最常用的Ag，Cu，Au，文獻[11]記載的還有Pt，Li，Na，K，Al，In，Ni，Pd，Ru及某些金屬氧化物(ZnO，CuO，TiO2)和半導體材料(Cd，Te，CdS)等，其中以 Ag的增強效果最佳，應用也最廣泛。目前，較常用的Ag基底包括，經氧化還原掃描過程表面粗糙化的Ag電極、Ag溶膠、真空沉積的 Ag島膜、沉積Ag的固體基質、化學沉積Ag膜以及硝酸刻蝕Ag膜等，各有優(yōu)缺點，在不同領域中的應用也各有偏重。

大量的研究表明，SERS具有以下特點[12]：在底物中，貴金屬(Au，Ag，Cu)是最常見的增強底物，其表面增強因子(SEF)通常高達106，此外許多過渡金屬(如U，Rh，F(xiàn)e，Co，Ni等)的SEF值能達到10～103；只有粗糙的金屬表面才能產生SERS信號，最常見的表面粗糙化方法是電化學氧化-還原循環(huán)法；微觀尺度的粗糙表面在電磁增強機制中起著關鍵作用；在金屬表面第1層吸附的分子可以得到最大程度的增強，與其化學增強機制有關；不同的分子吸附相同金屬表面獲得的增強效果并不一定相同，通過化學作用吸附在表面上的分子(離子)增強更大；SERS譜峰的頻率和位移與金屬電極電勢有關，當SERS活性消失時，重新進行氧化-還原伏安法后就會被恢復。

3 SERS增強劑的應用

SERS在醫(yī)藥學領域的應用前景巨大，盡管其應用至今還處于實驗階段。越來越多的科學家認為，拉曼光譜在藥物分析中的應用前景在于醫(yī)藥工業(yè)領域，如藥物鑒別、藥物釋放過程和所處狀態(tài)檢測與控制的分析。目前，SERS放大藥物分子信號最主要的應用是藥物成分的鑒定，藥材及藥物中有效成分的真?zhèn)?、混淆品的鑒別均可應用SERS。即便是中藥材，作為一個大的混合物，由于其組成相對穩(wěn)定，其拉曼光譜應具有一定的客觀性和可重復性，也可獲得滿意的結果。

1)化學藥檢測信號的放大效果

吉薇[13]應用 SERS技術建立了氯霉素及其琥珀酸鈉的快速檢測方法。采用密度泛函理論和 Gaussian 03軟件對其分子進行模擬最佳立體構型和拉曼光譜理論計算，獲得的兩種抗生素分子的模擬拉曼光譜，與其固體標準品的實驗拉曼光譜具有很高的匹配度，確定了所有拉曼峰振動的歸屬。通過檢測載體類型、金納米溶膠與待測溶液的體積比以及吸附等待時間對其拉曼光譜的增強效果試驗，獲得的最佳增強效果條件：檢測載體為錫箔紙，金納米溶膠與待測液的體積比為10∶14，最佳等待吸附時間為6 min。

劉元瑞等[14]比較了西地那非拉曼光譜及其薄層原位 SERS的差異，考察了激光光源強度、測定積分時間、納米銀溶膠溶液用量、西地那非質量濃度及空白硅膠等因素的影響，并將薄層的分離作用與SERS結合，可快速確認薄層色譜上的疑似斑點是否為西地那非，從而得到將薄層原位SERS作為中成藥及保健品中添加西地那非的檢測方法。

張雁等[15]用3種不同的激發(fā)光波長觀察不同pH條件下馬來酸羅格列酮的SERS，推測其分子在納米顆粒上的吸附取向、成鍵方式，并對增強機制作出推斷。研究表明，藥物分子-銀膠體系的pH對馬來酸羅格列酮的增強效應有較大的影響，是pH對藥物分子-銀膠體系的凝聚狀態(tài)和馬來酸羅格列酮分子存在狀態(tài)綜合影響的結果。另外，激發(fā)光波長對馬來酸羅格列酮的 SERS效應也有很大的影響，體現(xiàn)了光源對藥物分子-銀膠體系的選擇性激發(fā)。

2)中藥鑒別

黃浩等[16]研究了黃芪飲片的SERS，采用鹽酸羥胺還原硝酸銀制備銀膠，以銀納米粒子為增強基底檢測黃芪飲片樣本的SERS，檢測獲取并對比分析其常規(guī)拉曼光譜和SERS，以探討與銀膠混合后的表面增強效應，并對所獲得其SERS信號進行初步譜峰歸屬。研究發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)拉曼檢測中，由于較強的熒光背景干擾，只能分辨出少量的拉曼特征峰，而SERS技術能有效淬滅熒光，可顯著增強黃芪飲片樣本的拉曼信號。黃芪飲片 SERS在的波數537，621，733，958，1 032，1 117 cm-1等處，均可觀察到明顯的拉曼特征峰，其中733 cm-1和1 326 cm-1為強SERS信號；通過譜峰指認，SERS峰位分別歸屬于葡萄糖、酰胺等生化物質及其分子結構。SERS為黃芪或其他中藥飲片生化檢測分析、質量監(jiān)控、鑒別提供了一種新穎、快速、有效的檢測方法。

3)藥物分子檢測

梁偉姿[17]將新型的 SERS基底氧化石墨烯用于頭孢氨芐的檢測，將氧化石墨烯粉體用蒸餾水稀釋成一定濃度的懸浮液，再利用超聲進行分散，制備氧化石墨烯的分散液，制成棕黃色澄清的氧化石墨烯分散液。利用氧化石墨烯中含有大量的含氧活性基團，如羥基（hydroxyl）、環(huán)氧基（epoxy）、羧基（carboxyl）、羰基（carbonyl）等與頭孢氨芐結合產生較強信號，獲得了良好的增強效果，拓寬了拉曼光譜技術在藥物領域的應用。

4)魚藥、獸藥分析

李春穎等[18]應用 SERS技術結合化學計量學方法檢測水產品中禁用或限用藥物，包括孔雀石綠、結晶紫、氯霉素和磺胺甲基嘧啶進行檢測。結果表明，SERS技術對染料類魚藥如孔雀石綠和結晶紫的分析效果較好，其標準溶液的檢測限分別為0.8 μg/L和10 μg/L；對于抗生素類藥物，如氯霉素和磺胺甲基嘧啶的檢測限分別為50 μg/L和500 μg/L。運用SERS技術能檢測到魚肉中孔雀石綠和結晶紫的檢測限分別為1.0 μg/kg和20 μg/kg，提示了SERS技術在食品中痕量藥物殘留檢測方面的巨大潛力。

王玉等[19]將維生素 A酸(VAA)溶于氯仿中，然后與銀溶膠液混合，振搖，分層，取上層溶膠液測定SERS。通過分析—C—O伸縮振動帶和ν(COO)振動峰明顯增強的現(xiàn)象，推斷VAA在銀顆粒表面的吸附發(fā)生在COO基團，可提高了VAA的SERS靈敏度。

5)分子的旋轉異構、互變異構和相變研究

竇文虎[20]檢測了地塞米松磷酸鈉和倍他米松磷酸鈉兩種差向異構體以銀膠為基底的SERS，對其各基團的振動模式進行解析，并對峰進行歸屬和比較。結果表明，兩種物質的主要區(qū)別是前者的非對稱伸縮振動和對稱面內變形振動的拉曼位移較大，依據作用機理和規(guī)律推測兩種物質主要是通過P—O鍵、羧基和五元環(huán)與銀膠垂直吸附。該研究建立了兩種差向異構體基于銀納米粒子的吸附模式，實現(xiàn)了對以上兩種物質進行快速鑒別的方法，為進一步研究腎上腺皮質激素類藥物提供了十分重要的信息和可靠的參考。

王玉等[21]利用拉曼和紅外光譜相互配合的特點，研究了抗癌藥物解毒劑麥斯鈉及其衍生物雙麥斯鈉的結構和構象，收集兩個化合物的固體及水溶液的正常拉曼光譜和這些藥物在銀溶膠表面吸附的 SERS及紅外光譜。結果表明，采用拉曼光譜法比紅外光譜法更容易區(qū)分麥斯鈉和雙麥斯鈉。試驗中為確定化合物構象，測量了兩者的拉曼偏振光強度之比。去極化拉曼譜線的出現(xiàn)揭示了飽和溶液中cis構象的存在，也不排除其他構象存在可能性。根據兩者拉曼偏振光譜的相似性和去極化拉曼譜線存在，表明雙麥斯鈉在飽和溶液中存在Tr構象。

6)識別藥物分子反應過程

張巍[22]將SERS技術與傳統(tǒng)的光譜學方法相結合，建立了兩種基于SERS的藥物分子-人血清白蛋白分子復合物分析檢測方法。首次在金屬納米粒子自組裝SERS活性基底上研究原小檗堿類藥物分子與人血清白蛋白分子的識別反應;在溶液中比較分析了4種黃酮類和黃酮醇類藥物分子與人血清白蛋白分子的作用機制和作用方式，并對兩類藥物分子進行了比較。由于存在光譜間分辨率低的問題和兩類藥物分子結構上的原因，導致其在固體增強基底表面的吸附能力差。

4 總結與展望

SERS作為一種超靈敏的分析檢測技術，在藥物分子領域受到了越來越多的關注。隨著 SERS作用的深入研究，高效表面增強劑的開發(fā)研究也將更加完善，其中提高靈敏度和降低SERS光譜信噪比將是SERS基底制備努力的方向?；赟ERS的藥物分子分析檢測方法具有良好的應用前景，目前由體外模擬轉到體內在線監(jiān)測的藥物代謝動力學及診斷學領域已經開始了利用SERS的探索和嘗試，但絕大多數還局限于基礎和實驗室研究階段。SERS在醫(yī)療科學的真正應用，還有待于SERS活性基底的進一步發(fā)展以及檢測方法的有效改善。

拉曼光譜作為一種藥學領域強有力的分析方法，SERS正獲得藥物分析化學家的認同。盡管SERS在藥物分析中重要應用正處于發(fā)展初期，但其前景極其光明。

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Application Advances of SERS Enhancer in Drug Analysis

Gan Sheng1,Lai Qingniao1,Li Zhicheng2,Han Ting3,Wu Chaoquan1
(1.Guangxi Institute for Food and Drug control,Nanning,Guangxi,China 530021; 2.Institute of Light Industry and Food Engineering,Guangxi University, Nanning,Guangxi,China 530004; 3.Ditactic and Research Section,Preclinical Faculty,Hebei United University,Tangshan,Hebei,China 053009)

Surface Enhanced Raman spectrometry(SERS)specifies its great advantage on drug molecule researches,which keenly depends on the association between SERS enhancer and its substrates.This paper briefly summarizes studies and applications of SERS enhancer and its mechanism of signal amplification.The application prospects of this method on pharmaceutical science is also disclosed.

surface enhancer;Raman spectrometry;drug molecule;association;application

R927

A

1006-4931(2015)19-0001-03

甘盛，男，博士研究生，碩士研究生導師，副主任藥師，執(zhí)業(yè)藥師，研究方向為食品藥品檢驗及質量安全，（電子信箱）gansheng＠hotmail.com；賴青鳥，女，碩士研究生，研究方向為食品藥品檢驗及質量安全，本文通訊作者，（電子信箱）510432470＠qq.com。

2015-04-09)

*中國食品藥品檢定研究院中青年發(fā)展研究基金項目，項目編號：2013WC3；廣西自然科學青年基金項目，項目編號：2014GXNSFBA118059。