东京大学研究生院研究生院Keisuke Goda教授领导的研究小组具有极高的重现性、灵敏度、均匀性、生物相容性和耐久性表面增强拉曼光谱 (SERS)（注 1）底物并解决了化学领域 50 年来的难题（特别是痕量分析）。
20 世纪 70 年代发现的 SERS 位于金属基底上局域表面等离子共振 (LSPR)（注 2）正常拉曼光谱（注3）高几个数量级的灵敏度，并且已被有效地用于无标记痕量分析。然而，SERS 的高灵敏度热点（注4）外，由于金属基底的存在，其本身存在重复性低、不均匀性、生物相容性低、光热和氧化问题等问题，一直难以应用于生物分子。
为了克服这些问题，在本研究中，我们开发了一种纳米结构（多孔碳纳米线阵列：PCNA），其中多孔碳纳米线排列成阵列，而不使用任何金属作为SERS基底，从而可以在不使用局域表面等离子体共振的情况下实现高灵敏度。具体来说，灵敏度增强（大约106)，我们还克服了上述金属基材带来的问题，并使用各种分子样品展示了极高的均匀性、生物相容性和耐久性（图1）。
由于该方法具有很高的实用性和可靠性，有望应用于分析化学、食品科学、药剂学、病理学等广泛学术领域的痕量分析，以及传染病检测、糖尿病检测、癌症筛查、环境安全和法医学调查等领域。例如，它将通过无标记检测血糖进行糖尿病检测，测量传染病（流感、新型冠状病毒感染等）的抗原抗体反应，癌症代谢谱分析，通过检测细菌（大肠杆菌、幽门螺杆菌等）表面蛋白进行实时细菌检测，以及通过测量光合生物中生物分子的分子振动进行量子生命科学研究。
这项研究得到了日本学术振兴会 (JSPS) 研究中心组建项目和科学研究补助金 (JP18K13798、JP20K14785)、文部科学省光学和量子飞跃旗舰计划 (Q-LEAP)、村田科学技术基金会、白石基金会、东京大学 GAP 基金的支持项目，神奈川县工业科学技术研究所这项工作得到了日本联合研究所（KISTEC）、中谷医学和工程测量技术促进基金会、小笠原科学技术基金会、中国国家自然科学基金（21671020、61805175）和中国北京市自然科学基金的支持。
此研究结果将于2020年9月24日（下午6:00）发布自然通讯
图1：本研究的概念图
表面增强拉曼光谱 (SERS) 于 20 世纪 70 年代发现，通过利用金属基底上的局域表面等离子体共振，可以提供比传统拉曼光谱高几个数量级的灵敏度，并且对于无标记痕量分析非常有效。但其存在重复性低、异质性、生物相容性低、金属基质导致的光热和氧化等固有问题。在本研究中，为了克服这些问题，我们开发了一种纳米结构（多孔碳纳米线阵列：PCNA），其中多孔碳纳米线排列成阵列，而不使用任何金属作为SERS基底，并证明不仅在痕量分析中灵敏度提高了约6个数量级，而且具有极高的再现性、均匀性、生物相容性和耐久性。由于该方法具有很高的实用性和可靠性，因此可广泛应用于分析化学、食品科学、药剂学和病理学等学术领域，以及传染病检测、糖尿病检测、癌症筛查、环境安全、法医调查等痕量分析。
1) 研究背景和历史
10496_110832、h-BN等）、非金属材料如半导体金属氧化物已被提出。与依赖局域表面等离子体共振的金属基材不同，这些基材因结构共振和电荷转移共振而表现出高达五个数量级的灵敏度增强。然而，虽然这些基材部分改善了生物相容性，但由于其固有的光催化活性和基材对生物分子的毒性，低再现性仍然是一个问题。
2) 研究内容
在这项研究中，我们采用了不同于金属、半导体和介电基板的方法，成功开发了一种由 PCNA 制成的拓扑调谐纳米结构，该纳米结构由二维阵列组成，独立于 LSPR 作为 SERS 基板，具有极高的再现性、灵敏度、均匀性、生物相容性和耐久性（图 2）。 PCNA 基底提供高灵敏度增强（~106) 已通过实验证明。更重要的是，重现性非常高，通过激活基底的整个表面，我们证明了基底、斑点、样品和光谱时间的一致性，这在以前使用 SERS 中电磁场产生的热点是不可能实现的。此外，由于氧化而丧失的耐久性以及因光和热而受损的生物相容性也得到了显着改善。在本研究中，这些优异的特性是罗丹明 6G（注 5）（图3），β-乳球蛋白（注6）（图4），葡萄糖（注释 7）（图4）。 PCNA板可以以每块约1,000日元的低成本大量生产（图2）。本研究开发的PCNA基质解决了SERS近50年的难题，同时实现了极高的重现性、均匀性、生物相容性和耐久性。
图2：PCNA基底及其制造方法
每块板的制造成本约为 1,000 日元。可以低成本大批量生产。 AAO（阳极氧化铝）：阳极氧化铝、PPy（聚吡咯）：聚吡咯（导电聚合物）、PNA（聚吡咯纳米线阵列）：聚吡咯纳米线阵列、PPNA（多孔聚吡咯纳米线阵列）、DMSO（二甲亚砜）：二甲亚砜（一种溶解有机和无机化合物的非质子极性溶剂）。
图 3：使用 PCNA 底物对罗丹明 6G 分子进行痕量分析
A在四种基质（硅基质、PNA 基质、CNA 基质、PCNA 基质）上测量的罗丹明 6G (10 µM) 拉曼光谱（激发波长 785 nm，激发强度 1 mW，积分时间 30 秒）。
B不同浓度的罗丹明6G在PCNA基底上的拉曼光谱（激发波长785 nm，激发强度1 mW，积分时间30秒）。罗丹明 6G 的检测限小于 01nM。
C在 20 个不同的 PCNA 板上进行 SERS 再现测试。每块板之间的距离为 1185、1309、1361、1507、1650 厘米-1处拉曼峰的相对强度差在±10%的范围内。
图 4：使用 PCNA 底物对生物分子（β-乳球蛋白和葡萄糖）进行微量分析
A三种基质（硅基质、PCNA 基质和市售金属基质）上 β-乳球蛋白分子的拉曼光谱。显示灵敏度提高了约 6 个数量级。
B使用 β-乳球蛋白分子在 PCNA 基质上的 SERS 强度的空间分布（变异系数 <9%）。它显示出SERS强度的高度均匀性。
C使用葡萄糖分子的 PCNA 底物上的 SERS 强度的稳定性。
3) 未来发展
PCNA 基质除了具有极高的重现性、均匀性、生物相容性和耐用性之外，目前的 106与市售金属SERS基底相当或更高，因此被认为足以在低浓度生物分子拉曼光谱中实际使用。我们可以期望通过优化 PCNA 基底的成分（例如，掺杂剂类型和掺杂水平）和结构（例如，多孔纳米线形状），通过采用具有最佳波长的电荷转移共振激发激光（例如，通过波长可调激光）以使灵敏度增强取决于被探测的分子，以及通过改进电荷转移共振理论以更好地理解基本原理，从而获得更高的 SERS 灵敏度增强。通过这些改进，使用PCNA底物的SERS具有很高的实用性和可靠性，有望用于分析化学、食品科学、制药、病理学、环境安全和法医学等广泛领域的痕量分析。例如，它将通过无标记检测血糖进行糖尿病检测，测量传染病（流感、新型冠状病毒感染等）的抗原抗体反应，癌症代谢谱分析，通过检测细菌（大肠杆菌、幽门螺杆菌等）表面蛋白进行实时细菌检测，以及通过测量光合生物中生物分子的分子振动进行量子生命科学研究。
4) 研究团队
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Keisuke Goda（东京大学理学院化学系教授/加州大学洛杉矶分校工程学院生物工程系兼职教授/武汉大学工业科学研究所兼职教授/国家量子科学技术研究所合作研究员）
肖廷辉（东京大学研究生院化学系助理教授/国立放射线科学技术研究所合作研究员）
Tamitake Ito（米乐m6官方网站健康医疗工程研究部生物传感研究组高级首席研究员）
Kotaro Hiramatsu（东京大学研究生院光谱化学研究中心助理教授/日本科学技术振兴机构 PRESTO 研究员/神奈川国立先进产业技术研究所兼职研究员）
杂志名称：自然通讯
论文标题：用于表面增强拉曼光谱的多孔碳纳米线阵列
作者：Nan Chen、Ting-Hui Shaw、Zhenyi Luo、Yasutaka Kitahama、Kotaro Hiramatsu、Naoki Kishimoto、Tamitake Itoh、Zhenzhou Cheng 和 Keisuke Goda*
DOI 号：101038/s41467-020-18590-7
摘要网址：https://doiorg/101038/s41467-020-18590-7