药物分析领域拉曼光谱表面信号增强剂应用研究进展*

甘 盛，赖青鸟，李志成，韩 婷，吴超权

（1.广西壮族自治区食品药品检验所，广西 南宁 530021；2.广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004；3.河北联合大学基础医学院药理教研室，河北 唐山 053009）

药物分析领域拉曼光谱表面信号增强剂应用研究进展*

甘 盛1，赖青鸟1，李志成2，韩 婷3，吴超权1

（1.广西壮族自治区食品药品检验所，广西 南宁 530021；2.广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004；3.河北联合大学基础医学院药理教研室，河北 唐山 053009）

表面增强拉曼光谱法(SERS)以其独特优势在药物分子研究中具有巨大的应用价值，其中拉曼光谱活性表面增强剂与药物分子结合效果的好坏是该方法的关键所在。该文介绍了拉曼光谱表面信号增强剂与药物分子结合的效果及其应用研究进展，总结了SERS增强剂对信号放大的特点，并展望了其在药学方面的应用前景。

表面增强剂；拉曼光谱；药物分子；应用

拉曼光谱作为一种日渐成熟的鉴定物质结构的分析方法，可快速、便捷、无损伤地进行定性定量分析检测，且测试样本无需进行前处理，可直接借助光纤探头或玻璃、石英进行测量，在药物分子研究和药品鉴定方面有着广泛的应用。表面增强拉曼光谱(SERS)检测药物的作用机制是利用活性基底吸附药物分子，产生良好的信号放大效果。然而并不是所有吸附到基底表面的分子都能产生理想的SERS信号，影响表面增强拉曼效应的因素有很多，其中分子结构与增强基底的性质被认为是关键因素。在此介绍了SERS基底与药物分子结合情况的研究进展，总结了SERS基底信号放大的特点。

1 SERS的机理

拉曼光谱作为一种散射光谱，能够提供许多分子振动光谱的信息，还具有很多独有优势，如无损性、操作简便、无需制样、迅速快捷等，以及可排除水的干扰这一红外光谱所不具备的特性。更为重要的一点，拉曼信号在某些情况下会存在极大增强的现象，即SERS。SERS技术可以在分子水平上提供分子结构方面的信息[1]，现已越来越多地应用于药物分析测试领域。借助SERS，可获得与吸附分子空间取向方面的信息，为研究药物分子提供了有力手段。

1928年，印度物理学家拉曼首先发现普通的拉曼光谱，但其灵敏度较低。样品分子散射的光绝大部分为瑞利散射光，拉曼散射光强度仅为瑞利散射光强度的10-9～10-6，故长期制约着拉曼光谱技术的应用，仅作为红外光谱的补充手段以鉴别分子的结构信息。虽然20世纪70年代的激光技术改善了光源强度，大大增强了拉曼信号，但单一的激发光波长还是阻碍了拉曼光谱的进一步发展。直到1974年，英国科学家 Fleischmann等[2]发现，当在电化学粗糙的银电极上吸附有吡啶分子时，吡啶的常规拉曼信号强度出现了异常增强，SERS才走进人们的视野。随着Jeanmaire和Albrecht等[3-4]对 SERS的深入研究，使得该方法能在很大程度上克服了响应值的困难，从此拉曼光谱得以在更宽的激发线范围内进行超灵敏的检测分析。

关于粗糙金属表面吸附分子后拉曼散射得到巨大增强的现象，有许多不同的理论模型，目前主要有电磁增强模型和化学增强模型。电磁增强模型支持者认为，SERS的发生起源于金属表面局域电场的增强，而化学增强模型支持者则认为是SERS与分子极化率的改变引起的，但两种理论模型没有对SERS产生的作用机制作出完全令人信服的解释。两种模型都能解释部分增强现象，同时却与另一些增强现象相矛盾，仍欠缺一个完善的理论解释所有SERS的实验特征[5]。因此认为，可能是两种因素同时起作用，对SERS产生的贡献随体系的不同而变化[6]。

2 SERS的特点

SERS技术是研究与吸附分子有关的表面现象，可对吸附分子的确定种类、测定其在基底表面的取向、研究表面反应等研究提供强有力的工具[7-10]。SERS能够产生放大效应的前提条件是，待测分子能够吸附或非常接近于贵金属纳米结构的活性基底表面，除了最常用的Ag，Cu，Au，文献[11]记载的还有Pt，Li，Na，K，Al，In，Ni，Pd，Ru及某些金属氧化物(ZnO，CuO，TiO2)和半导体材料(Cd，Te，CdS)等，其中以 Ag的增强效果最佳，应用也最广泛。目前，较常用的Ag基底包括，经氧化还原扫描过程表面粗糙化的Ag电极、Ag溶胶、真空沉积的 Ag岛膜、沉积Ag的固体基质、化学沉积Ag膜以及硝酸刻蚀Ag膜等，各有优缺点，在不同领域中的应用也各有偏重。

大量的研究表明，SERS具有以下特点[12]：在底物中，贵金属(Au，Ag，Cu)是最常见的增强底物，其表面增强因子(SEF)通常高达106，此外许多过渡金属(如U，Rh，Fe，Co，Ni等)的SEF值能达到10～103；只有粗糙的金属表面才能产生SERS信号，最常见的表面粗糙化方法是电化学氧化-还原循环法；微观尺度的粗糙表面在电磁增强机制中起着关键作用；在金属表面第1层吸附的分子可以得到最大程度的增强，与其化学增强机制有关；不同的分子吸附相同金属表面获得的增强效果并不一定相同，通过化学作用吸附在表面上的分子(离子)增强更大；SERS谱峰的频率和位移与金属电极电势有关，当SERS活性消失时，重新进行氧化-还原伏安法后就会被恢复。

3 SERS增强剂的应用

SERS在医药学领域的应用前景巨大，尽管其应用至今还处于实验阶段。越来越多的科学家认为，拉曼光谱在药物分析中的应用前景在于医药工业领域，如药物鉴别、药物释放过程和所处状态检测与控制的分析。目前，SERS放大药物分子信号最主要的应用是药物成分的鉴定，药材及药物中有效成分的真伪、混淆品的鉴别均可应用SERS。即便是中药材，作为一个大的混合物，由于其组成相对稳定，其拉曼光谱应具有一定的客观性和可重复性，也可获得满意的结果。

1)化学药检测信号的放大效果

吉薇[13]应用 SERS技术建立了氯霉素及其琥珀酸钠的快速检测方法。采用密度泛函理论和 Gaussian 03软件对其分子进行模拟最佳立体构型和拉曼光谱理论计算，获得的两种抗生素分子的模拟拉曼光谱，与其固体标准品的实验拉曼光谱具有很高的匹配度，确定了所有拉曼峰振动的归属。通过检测载体类型、金纳米溶胶与待测溶液的体积比以及吸附等待时间对其拉曼光谱的增强效果试验，获得的最佳增强效果条件：检测载体为锡箔纸，金纳米溶胶与待测液的体积比为10∶14，最佳等待吸附时间为6 min。

刘元瑞等[14]比较了西地那非拉曼光谱及其薄层原位 SERS的差异，考察了激光光源强度、测定积分时间、纳米银溶胶溶液用量、西地那非质量浓度及空白硅胶等因素的影响，并将薄层的分离作用与SERS结合，可快速确认薄层色谱上的疑似斑点是否为西地那非，从而得到将薄层原位SERS作为中成药及保健品中添加西地那非的检测方法。

张雁等[15]用3种不同的激发光波长观察不同pH条件下马来酸罗格列酮的SERS，推测其分子在纳米颗粒上的吸附取向、成键方式，并对增强机制作出推断。研究表明，药物分子-银胶体系的pH对马来酸罗格列酮的增强效应有较大的影响，是pH对药物分子-银胶体系的凝聚状态和马来酸罗格列酮分子存在状态综合影响的结果。另外，激发光波长对马来酸罗格列酮的 SERS效应也有很大的影响，体现了光源对药物分子-银胶体系的选择性激发。

2)中药鉴别

黄浩等[16]研究了黄芪饮片的SERS，采用盐酸羟胺还原硝酸银制备银胶，以银纳米粒子为增强基底检测黄芪饮片样本的SERS，检测获取并对比分析其常规拉曼光谱和SERS，以探讨与银胶混合后的表面增强效应，并对所获得其SERS信号进行初步谱峰归属。研究发现，在常规拉曼检测中，由于较强的荧光背景干扰，只能分辨出少量的拉曼特征峰，而SERS技术能有效淬灭荧光，可显著增强黄芪饮片样本的拉曼信号。黄芪饮片 SERS在的波数537，621，733，958，1 032，1 117 cm-1等处，均可观察到明显的拉曼特征峰，其中733 cm-1和1 326 cm-1为强SERS信号；通过谱峰指认，SERS峰位分别归属于葡萄糖、酰胺等生化物质及其分子结构。SERS为黄芪或其他中药饮片生化检测分析、质量监控、鉴别提供了一种新颖、快速、有效的检测方法。

3)药物分子检测

梁伟姿[17]将新型的 SERS基底氧化石墨烯用于头孢氨苄的检测，将氧化石墨烯粉体用蒸馏水稀释成一定浓度的悬浮液，再利用超声进行分散，制备氧化石墨烯的分散液，制成棕黄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团，如羟基（hydroxyl）、环氧基（epoxy）、羧基（carboxyl）、羰基（carbonyl）等与头孢氨苄结合产生较强信号，获得了良好的增强效果，拓宽了拉曼光谱技术在药物领域的应用。

4)鱼药、兽药分析

李春颖等[18]应用 SERS技术结合化学计量学方法检测水产品中禁用或限用药物，包括孔雀石绿、结晶紫、氯霉素和磺胺甲基嘧啶进行检测。结果表明，SERS技术对染料类鱼药如孔雀石绿和结晶紫的分析效果较好，其标准溶液的检测限分别为0.8 μg/L和10 μg/L；对于抗生素类药物，如氯霉素和磺胺甲基嘧啶的检测限分别为50 μg/L和500 μg/L。运用SERS技术能检测到鱼肉中孔雀石绿和结晶紫的检测限分别为1.0 μg/kg和20 μg/kg，提示了SERS技术在食品中痕量药物残留检测方面的巨大潜力。

王玉等[19]将维生素 A酸(VAA)溶于氯仿中，然后与银溶胶液混合，振摇，分层，取上层溶胶液测定SERS。通过分析—C—O伸缩振动带和ν(COO)振动峰明显增强的现象，推断VAA在银颗粒表面的吸附发生在COO基团，可提高了VAA的SERS灵敏度。

5)分子的旋转异构、互变异构和相变研究

窦文虎[20]检测了地塞米松磷酸钠和倍他米松磷酸钠两种差向异构体以银胶为基底的SERS，对其各基团的振动模式进行解析，并对峰进行归属和比较。结果表明，两种物质的主要区别是前者的非对称伸缩振动和对称面内变形振动的拉曼位移较大，依据作用机理和规律推测两种物质主要是通过P—O键、羧基和五元环与银胶垂直吸附。该研究建立了两种差向异构体基于银纳米粒子的吸附模式，实现了对以上两种物质进行快速鉴别的方法，为进一步研究肾上腺皮质激素类药物提供了十分重要的信息和可靠的参考。

王玉等[21]利用拉曼和红外光谱相互配合的特点，研究了抗癌药物解毒剂麦斯钠及其衍生物双麦斯钠的结构和构象，收集两个化合物的固体及水溶液的正常拉曼光谱和这些药物在银溶胶表面吸附的 SERS及红外光谱。结果表明，采用拉曼光谱法比红外光谱法更容易区分麦斯钠和双麦斯钠。试验中为确定化合物构象，测量了两者的拉曼偏振光强度之比。去极化拉曼谱线的出现揭示了饱和溶液中cis构象的存在，也不排除其他构象存在可能性。根据两者拉曼偏振光谱的相似性和去极化拉曼谱线存在，表明双麦斯钠在饱和溶液中存在Tr构象。

6)识别药物分子反应过程

张巍[22]将SERS技术与传统的光谱学方法相结合，建立了两种基于SERS的药物分子-人血清白蛋白分子复合物分析检测方法。首次在金属纳米粒子自组装SERS活性基底上研究原小檗碱类药物分子与人血清白蛋白分子的识别反应;在溶液中比较分析了4种黄酮类和黄酮醇类药物分子与人血清白蛋白分子的作用机制和作用方式，并对两类药物分子进行了比较。由于存在光谱间分辨率低的问题和两类药物分子结构上的原因，导致其在固体增强基底表面的吸附能力差。

4 总结与展望

SERS作为一种超灵敏的分析检测技术，在药物分子领域受到了越来越多的关注。随着 SERS作用的深入研究，高效表面增强剂的开发研究也将更加完善，其中提高灵敏度和降低SERS光谱信噪比将是SERS基底制备努力的方向。基于SERS的药物分子分析检测方法具有良好的应用前景，目前由体外模拟转到体内在线监测的药物代谢动力学及诊断学领域已经开始了利用SERS的探索和尝试，但绝大多数还局限于基础和实验室研究阶段。SERS在医疗科学的真正应用，还有待于SERS活性基底的进一步发展以及检测方法的有效改善。

拉曼光谱作为一种药学领域强有力的分析方法，SERS正获得药物分析化学家的认同。尽管SERS在药物分析中重要应用正处于发展初期，但其前景极其光明。

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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，硕士研究生导师，副主任药师，执业药师，研究方向为食品药品检验及质量安全，（电子信箱）gansheng＠hotmail.com；赖青鸟，女，硕士研究生，研究方向为食品药品检验及质量安全，本文通讯作者，（电子信箱）510432470＠qq.com。

2015-04-09)

*中国食品药品检定研究院中青年发展研究基金项目，项目编号：2013WC3；广西自然科学青年基金项目，项目编号：2014GXNSFBA118059。