通过3-噻吩基硼酸-银纳米团簇中的芳香环伸展效应实现葡萄糖的连接器模式表面增强拉曼传感

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Linker-mode surface-enhanced Raman sensing of glucose via aromatic ring stretching in 3-Thienylboronic acid–ag nanoclusters

表面增强拉曼散射（SERS）平台通过Ag纳米簇功能化3-噻吩硼酸（3-TBA）分子，利用其芳香环拉伸振动模式实现葡萄糖高灵敏检测，线性范围20-1000 μM，DFT验证分子机制，简化信号获取并提升非侵入式血糖监测可靠性。

　　

Venkataramanaiah Ingilala | Dharani Kumar Chennamsetty | Spoorthi Chava | Chandrahas Bansal | Venkata Satya Siva Srikanth Vadali | Rajanikanth Ammanabrolu

海得拉巴大学物理学院，Gachibowli，海得拉巴 500 046，特伦甘纳邦，印度

摘要

本文开发了一种基于表面增强拉曼散射（SERS）技术的葡萄糖检测方法，该方法利用了用3-噻吩基硼酸（3-TBA）功能化的银纳米簇。与传统依赖葡萄糖固有微弱拉曼信号的SERS葡萄糖传感器不同，该方法利用连接分子中芳香环伸缩模式的变异性作为定量信号。在约1589 cm?1处出现的一个独特拉曼峰，对应于3-TBA的芳香环伸缩振动，其对d-葡萄糖浓度在生理相关范围（20–1000 μmolL?1）内表现出线性强度响应。密度泛函理论计算证实了这一模式的起源，并阐明了银结合和葡萄糖-硼酸相互作用对其增强的作用。本文提出的单峰连接分子介导的传感策略简化了信号采集过程，同时提供了鲁棒性和机制上的清晰性，为便携式和非侵入性葡萄糖监测设备提供了有前景的框架。

引言

表面增强拉曼散射（SERS）作为一种具有分子特异性的强大分析技术，在等离子体纳米结构上表现出显著的电磁增强效应，因此在超灵敏的生物分子检测中得到了广泛应用[1][2]。近年来，基于SERS的葡萄糖传感技术因糖尿病管理中对于非侵入性和即时诊断的需求不断增加而受到了广泛关注[3][4]。尽管取得了显著进展，但由于葡萄糖的拉曼截面较小且对裸露的等离子体表面的亲和力较弱[5]，可靠的基于SERS的葡萄糖检测仍然具有挑战性。为了克服这些限制，引入了连接分子或报告分子以及智能表面工程来促进葡萄糖结合并增强SERS响应[6][7][8][9][10][11][12][13][14][15]。基于硼酸的连接分子和报告分子因其与含二醇的糖类的选择性相互作用而特别有吸引力[7][8][11][16][17][18]。然而，大多数报道的SERS葡萄糖传感器仍然依赖于检测葡萄糖的振动指纹，这些指纹往往较弱、重叠，并且容易受到实验变化的影响，这使得定量分析和设备实现变得复杂。 为了应对这些挑战，研究人员采取了两种不同的策略：连接分子介导的检测[6][7][8][9][11][12]和基底工程化的直接指纹检测[10][13][14][15]。在一种重要的连接分子介导的方法中，银（Ag）被3-TBA功能化作为报告分子，并监测2-MBA中硼酸基团的强度变化，而不是葡萄糖的振动指纹[8]。相比之下，一些研究团队开发了无需连接分子的平台，利用工程化的基底来放大微弱的葡萄糖信号。例如，使用机械划痕的银（Ag）纳米片将葡萄糖物理捕获到纳米级凹槽中，实现了直接的葡萄糖指纹检测[13]。在另一项有趣的研究中，在氟掺杂的氧化锡玻璃上电沉积的金纳米颗粒被用来实现葡萄糖的直接SERS检测，这一方法通过密度泛函理论（DFT）和时域有限差分模拟得到了验证[14]。最近，一种复合水凝胶被用来整合SERS检测和药物释放模块，利用其选择性渗透性在糖尿病伤口表面实现直接葡萄糖检测[15]。虽然无连接分子的方法消除了化学功能化的步骤，但它们需要复杂的基底工程、严格的化学计量校准和物理参数的精确控制，这些都会显著影响设备的开发。因此，本文提出了一种概念上不同的基于SERS的葡萄糖传感策略，将葡萄糖检测与其固有的拉曼特征分离。在该策略中，3-TBA被用作银纳米簇上的连接-报告分子，利用其芳香环伸缩振动作为葡萄糖检测的定量指标。 预期葡萄糖与基于硼酸的连接-报告分子的结合会改变它们在等离子体银表面的局部电子环境和吸附构型，从而导致特征性芳香拉曼峰的系统性调制，从而可用于定量检测[7][8][11][16][18]。在此背景下，使用3-TBA作为银纳米簇上的多功能分子接口进行基于SERS的葡萄糖检测，利用其芳香环伸缩振动在单一分子架构中整合了表面锚定、硼酸介导的葡萄糖识别和固有的拉曼报告功能。与其他分子（如2-TBA、4-MBA、4-MBPA和4-CPBA）相比，3-TBA提供了结构上有优势的分子接口[1]。与基于硫醇的分子（如4-MPBA和4-MBA）不同，后者形成的密集排列的银-硫（S）单层可能会部分阻碍葡萄糖的吸附，而3-TBA中的噻吩环可以通过π-金属和S介导的相互作用吸附到银上，同时保持硼酸基团暴露以供葡萄糖识别（见图1）。此外，3-取代的几何结构（即3-TBA中噻吩环的第三个位置的硼酸基团）将硼酸基团与噻吩的S原子空间分离，减少了与2-TBA相比的立体和电子干扰，从而促进了与葡萄糖的有效硼酸酯形成。此外，共轭的噻吩框架表现出强烈的芳香拉曼模式，使得在葡萄糖结合时能够敏感地调制SERS信号。

葡萄糖和d-葡萄糖与银纳米簇连接的3-TBA。

3-TBA可以同时作为表面连接分子、葡萄糖受体和内在的拉曼报告分子，以实现高效的基于SERS的葡萄糖检测。此外，表面锚定、分子识别和拉曼报告的结构解耦使得3-TBA能够作为一个单一组分的连接-受体-报告系统发挥作用，消除了对外部拉曼标记的需求，并简化了传感器架构。因此，这种策略提供了一种结构合理的方法来提高基于SERS的葡萄糖检测的灵敏度和可靠性，同时强调了位置异构性在设计硼酸功能化等离子体传感接口中的重要性。在本研究中，3-TBA介导的传感机制实现了在整个生理相关唾液葡萄糖浓度范围（20–1000 μM）内的单峰依赖性葡萄糖检测。DFT计算进一步提供了与d-葡萄糖-3-TBA-Ag相互作用相关的振动变化的分子级见解，支持了实验观察到的光谱响应。通过将分析物识别与直接的葡萄糖拉曼特征分离，这种策略简化了光谱解释，增强了信号的鲁棒性，并为弱拉曼活性生物分子的SERS生物传感建立了一个通用框架，从而推动了可靠、非侵入性葡萄糖监测平台的发展。本文报告的方法提供了机制上的见解、实验上的简便性以及与非侵入性葡萄糖监测的直接相关性。

银纳米簇的沉积

银纳米簇是通过气相凝结在超高真空条件下沉积在玻璃基底上的，遵循我们之前报道的程序[8]，使用Nanodep 60系统（Oxford Applied Research，英国）。玻璃片（1 × 1 cm2）依次用肥皂水、异丙醇、丙酮和Milli-Q水进行超声清洗，然后在空气中干燥。银纳米簇使用直流磁控溅射源（55 W）在先前优化的条件下沉积40秒[8]，沉积后的薄膜...

d-葡萄糖-3-TBA-银纳米簇框架中的实验SERS

比较了银纳米簇上3-TBA的拉曼光谱与纯3-TBA和玻璃上3-TBA的光谱（图4）。典型的强拉曼峰分别位于约388、590（以及820和866 cm?1）、899和1420 cm?1（以及1517 cm?1），这些峰对应于3-TBA中的C-B-O平面内弯曲、B-O扭转和C-H平面外弯曲以及C-C伸缩模式[8]。约237 cm?1处的峰归因于Ag-S键，证实了3-TBA与银的结合[20]。

图5

结论

本研究介绍了一种基于连接分子的SERS传感策略，其中3-TBA的芳香环伸缩振动作为葡萄糖检测的定量报告分子。通过将葡萄糖检测与直接的分析物振动特征分离，而是利用连接分子模式的调制，实现了一个简化且基于机制的传感框架。DFT计算在识别和验证报告分子模式方面发挥了关键作用，提供了分子层面的见解...

CRediT作者贡献声明

Venkataramanaiah Ingilala：研究、数据管理、形式分析、初稿撰写。 Dharani Kumar Chennamsetty：研究、形式分析、初稿撰写。 Spoorthi Chava：研究、形式分析。 Chandrahas BansalVenkata Satya Siva Srikanth Vadali：概念化、方法论、监督、资金获取、审稿与编辑。 Rajanikanth

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作由Anusandhan国家研究基金会（ANRF）和加速创新与研究合作伙伴计划（PAIR）（批准编号ANRF/PAIR/2025/000012/EPAIR）资助。IVR感谢DST-SERB和UGC-India提供的博士学位奖学金。