表面增强拉曼光谱(SERS)是一种高灵敏的检测表面物种指纹振动信息的光谱技术，在特定的条件下，甚至可以达到单分子水平的检测灵敏度。SERS在活细胞的研究中有两种不同的应用方式，一种是间接标记的方法，另一种是直接检测的方法。间接标记方法以修饰了共振拉曼分子的纳米粒子为探针对细胞进行标记，通过观察记录探针的共振SERS信号对生物分子进行间接检测，其工作原理与荧光分子标记方法的工作原理基本类似。直接检测方法是通过纳米粒子增强得到细胞体系自身成分的SERS信号，因此更能反映出振动光谱组成分析能力的本质。但是细胞体系的组成和结构非常复杂，而且生物分子的散射截面都相对较小，这些导致了直接检测方法得到的SERS谱图准确解释困难，以及信号弱的问题，因而在活细胞体系中的应用相对较少。　　 纳米粒子团簇的热点区域可实现单分子水平的SERS检测灵敏度。热点区域位于二个或多个纳米粒子之间形成的紧密间隙空间。细胞内的体相分子可以通过扩散等方式相对容易地进入热点区域，从而实现SERS信号的巨大增强。因此热点可以有效地提高细胞内体相生物分子的检测灵敏度。然而束缚在细胞表面的生物分子却无法进入热点区域。此时热点区域很容易被来自大气或溶液环境中的杂质分子占据，杂质分子的光谱信号就可能会完全掩盖了不能进入热点区域的表面目标分子的信号。所以，对于细胞表面分析必须发展基于单粒子的SERS分析方法。然而，单粒子的SERS增强性能要远远弱于纳米粒子团簇热点区域，因此如何提高单粒子SERS检测的灵敏度成为SERS在细胞膜组成结构分析应用中的首要问题。　　 SERS在细胞表面分析应用中面临的另一个关键问题是如何提高SERS检测的选择性。SERS检测选择性相对较差是由两个方面的原因引起的。一是细胞表面是由若干种单体生物分子通过不断重复而组成，而且这些生物分子拥有大量共同的指纹信息。生物分子结构的重复性和分布的复杂性导致非常难于准确解释SERS谱图中大量的指纹振动信息。二是我们缺乏控制纳米粒子在细胞表面定位的有效手段。纳米粒子在细胞表面是随机分布的，因此纳米粒子没有选择性地增强细胞表面与其接触的所有生物分子的拉曼信号。　　 本论文工作拟从发展方法学的角度出发，针对SERS在细胞膜检测分析中灵敏度低、选择性差的难题，采用目标分子修饰、纳米粒子性能优化、仪器性能优化等策略，建立和发展适用于活细胞表面分析的SERS方法。论文的主要研究内容和结论如下:　　 一、发展如下策略提高了SERS检测的灵敏度:　　 (1)制备了SERS性能优化的纳米粒子。合成了具有很好单分散性的边长140 nm的银立方体，边长180 nm的银截角八面体，以及以直径120 nm的金球粒子为核，1-4 nm的二氧化硅为壳层的Au@SiO2核壳结构纳米粒子。并通过暗场-SERS和SEM联用技术研究了不同形貌的单颗纳米粒子的LSP光谱性质和SERS增强性能。　　 (2)提高了目标分子的检测灵敏度。我们合成了分子内含有炔基、叠氮基、以及氘化基团(C-D)的非天然糖分子。细胞可以通过生物代谢的方式将这些非天然糖分子表达到细胞表面。细胞表面目标分子内引入的三键基团和氘化基团导致在2000-2600波数的光谱区间范围内产生了新的指纹振动峰。这段光谱区间是细胞拉曼信号静默区，因此引入基团的SERS信号检测非常有效地避免了生物分子大量指纹振动背景信息的干扰，从而提高了目标分子的检测灵敏度。　　 (3)优化了共焦拉曼仪器的性能。优化光学收集系统和谱仪的性能，包括使用针对生物体系的水浸物镜，优化设置狭缝的相应参数，使用高量子产率的CCD等。　　 二、发展如下策略提高了SERS检测的选择性:通过对纳米粒子表面修饰特异性分子，有效地控制了纳米粒子在细胞膜表面针对目标分子的定位，提高了SERS检测的选择性。我们选择巯基苯硼酸分子对纳米粒子表面进行修饰，巯基苯硼酸分子对唾液酸分子有特异性的识别能力，因此修饰了该分子的纳米子粒子可以定位到细胞表面表达唾液酸分子的位点，选择性地将目标分子中的炔基、叠氮基等基团的拉曼信号放大出来。