铜纳米颗粒在紫外拉曼光谱中的意外惊喜应用

立陶宛物理科学与技术中心（FTMC）的研究人员，哈比尔博士（Habil. Dr.）Gediminas Niaura和博士Martynas Talaikis，与国际同事首次证明铜是一种适合于紫外表面增强拉曼光谱（UV SERS）的金属——这是一种高灵敏度的方法，用于研究分子振动。

他们的研究结果已在Advanced Optical Materials上发表，并出现在其封面。这一成就对许多人来说意义重大：它为更精确地检测低分子量的生化化合物铺平了道路，并代表了向下一代早期皮肤癌诊断迈出的第一步。

“我们选择的这个领域仍然有很多未被探索的地方，”FTMC有机化学系的科学家们表示。

意外的发现

首先，简要提醒一下：拉曼光谱是一种广泛使用的科学方法，用激光照射材料，揭示其分子振动，为研究人员提供关于材料性质的大量信息。

FTMC的物理化学家们设定了一个雄心勃勃的目标：将最先进的振动光谱技术之一——表面增强拉曼光谱（SERS）——用于实际医疗应用，特别是用于早期皮肤癌的检测。尽管SERS在基础和应用生物医学研究中被广泛使用，但由于再现性不足和缺乏方法标准化，它尚未在临床上得到应用。另一个主要限制是其在识别低分子量癌症生物标志物方面的相对低选择性。

那么，问题来了：我们该如何提高SERS的选择性和再现性呢？答案在于许多生物重要分子（包括癌症标志物）对紫外线（UV）辐射的吸收远远强于其他组织成分。当使用紫外光时，这些分子的拉曼信号变得显著增强，从而提高了SERS的选择性。

“我们的目标是将UV SERS作为一种快速、可靠的癌症相关光谱标志物检测诊断方法。理想情况下，这甚至可以在手术过程中实现。一个新的紧凑设备将使这一切成为可能，”Gediminas Niaura在1月介绍该小组项目时解释道。

为了实现这个目标，立陶宛的研究人员和他们的国际合作伙伴一直在开发和测试各种金属制成的纳米颗粒。这些颗粒对SERS至关重要：它们充当高度敏感的信号放大器，将特定生物分子的拉曼响应增强数百万倍。这个想法其实很简单：把纳米颗粒和非侵入性收集的皮肤拭子样本混合，然后用紫外光照射。如果存在早期癌症标志物，它们的光谱指纹将变得清晰可见——这样就能比传统方法更早地进行诊断。

现在，在去年启动该项目后，FTMC的研究人员获得了他们第一个令人鼓舞和意想不到的结果：铜纳米颗粒被发现是优秀的SERS增强剂。在紫外激光照射下，这个结果令人惊讶，因为早已知道紫外光不会在铜表面诱导出通常所需的电磁场增强，这对于SERS效应是必需的。相反，这里主导的是一种不同且研究较少的机制——化学增强。

这一突破性进展出乎意料，当时莱布尼茨光子技术研究所的弗拉基米尔·西瓦科夫博士（后来成为论文的共同作者）带着他实验室生产的纳米颗粒来到FTMC。“它们包括铋、铜和其他金属。我们在不同的照射条件下进行了测试，以获得可靠的SERS信号。铋根本没有效果，但铜对紫外光的反应非常显著，”马丁纳斯·塔莱基斯博士回忆道。

分子运动和“指纹”

“利用铜，我们能够可靠地检测到低分子量的芳香化合物，比如核苷酸腺嘌呤。铜颗粒相当稳定——我们保持它们几个月没有变化。如前所述，铜表面的化学增强机制在这项研究中至关重要。当一个分子吸附——有效地“粘附”——到金属表面时，它的电子结构发生变化，这种变化通过共振效应增强了与激光光的相互作用，显著增强信号，”尼奥拉解释道。

“你可以在没有金属表面的情况下对一个分子照射光：如果激光波长与其吸收相匹配，信号可能会增加数万倍——这是大家都知道的。但一旦分子与金属结合，就会出现新的效应，结果可能会更加令人惊艳，”教授补充道。

FTMC的研究人员将腺嘌呤——一种在全球实验室广泛使用的关键生物分子——附着在铜表面，使他们的光谱数据能够与国际研究轻松比较。

这在实际操作中是怎样的呢？在《先进光学材料》的封底，我们看到底部有一个覆盖着铜纳米颗粒的硅平台。表面看起来光滑，但在显微镜下会显露出无数微小的“纳米级隆起”。在顶部，紫外激光光束指向铜。在中间部分显示了腺嘌呤的结构式和相应的SERS数据。

有趣的是，每种分子都有自己独特的“指纹”，研究人员可以在计算机屏幕上读取这些指纹以识别物质。插图中的SERS光谱每个峰值对应着不同的分子振动——这表明该方法的敏感性。

先进技术即将到来？

立陶宛团队的最终目标是开发一种能够快速、可靠识别皮肤癌的生物传感器。FTMC正在与马尔默大学的Tautgirdas Ruzgas教授在这一领域进行合作。设想中的诊断过程非常简单：用湿海绵轻轻擦拭可疑的皮肤斑块，从其表面洗去少量分子。这些分子随后将被转移到一个含有纳米颗粒的准备样本中，然后用紫外光照射，从而获得快速结果。

“在发表我们的论文后，我们现在正在寻找其他适合进行实验的金属，同时我们也在继续研究铜，”尼奥拉教授说。“我们计划创建由铜和磁性成分组成的复合纳米颗粒，这将有双重功能。磁性有助于控制颗粒的沉积、浓度和提纯。”

FTMC的科学家强调，尽管在他们的想法能够临床应用之前，还有很多工作要做，但这个方法正在稳步改进——他们已经朝着可靠、稳定和经济实用的技术迈出了坚实的一步。

更多信息：Shivani Yadav等，铜基多波长紫外表面增强拉曼光谱，先进光学材料（2025）。 DOI: 10.1002/adom.202500078