组成图示
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传感器类型
表面增强拉曼(SERS)生物传感器
检测对象
葡萄糖（glucose），水溶液/缓冲液样品基质
检测原理
葡萄糖进入传感器后，首先被壳层中的葡萄糖氧化酶（GOx）特异性识别并催化氧化为葡萄糖酸，同时产生还原当量。电子通过层层自组装的 PAH-Os 氧化还原聚合物导线传递，将预先用大豆过氧化物酶（SBP）/H2O2 氧化为 Os(III) 的钌复合物还原为 Os(II)。Os(II) 具有约510 nm 的金属到配体电荷转移（MLCT）电子共振，在 514.5 nm 激光激发下产生约1480–1483 cm−1 的吡啶伸缩共振拉曼峰；Os(III) 的 MLCT 移至紫外，相应拉曼峰消失。金纳米颗粒核心的局域表面等离子体与 MLCT 共振重叠，提供 SERS 放大；若将核壳纳米颗粒置于有序 Ag 纳米腔阵列上，还可获得约500倍额外增强。葡萄糖浓度越高，Os(II) 形成越多，拉曼峰强度恢复越大，响应呈 Michaelis–Menten 型并在 7–8 mM 饱和。
检测灵敏度
未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数；葡萄糖响应在 7–8 mM 饱和，符合 Michaelis–Menten 型方程。
效应效果
传感器选择性主要来自 GOx 对葡萄糖的酶促识别，以及 Os(II)/Os(III) 氧化态对应的共振拉曼差异。氧化态下 1483 cm−1 峰基本消失，还原后恢复，说明 PAH-Os 与金基底/纳米颗粒之间电子接线良好。将核壳纳米颗粒置于 700 nm Ag 纳米腔上可获得约500倍额外 SERS 增强，并改善信噪比，而氧化、还原和葡萄糖响应关系不变。葡萄糖接触实验中，氧化态纳米颗粒加入葡萄糖后 Os(II) 共振拉曼信号恢复至原始 Os(II) 状态的约20%。校准曲线显示 60.5 pM 核壳纳米颗粒在 Ag 纳米腔上，1480 cm−1 峰强度随葡萄糖浓度增加，在 7–8 mM 饱和，符合 Michaelis–Menten 型方程。论文未报告 RSD、实际样品回收率或与 ELISA/HPLC/qPCR 的定量对比；作者强调该体系将酶识别、氧化还原导线和 SERS 放大集成于单个纳米颗粒，可远程无接触检测，具有分析应用潜力。
传感器的构成
- 基底/换能器：Au 纳米颗粒（Au NPs，约20 nm，MPS 硫醇化），提供局域表面等离子体 SERS 增强和电子导线界面
- 识别元件：葡萄糖氧化酶（GOx），催化葡萄糖氧化并传递电子
- 信号标记/氧化还原导线：PAH-Os（Os(bpy)2ClPyCHO 修饰 poly(allylamine)），作为氧化还原分子导线和共振拉曼报告分子
- 多层组装：PAH-Os/GOx 交替 LbL 壳层（约19 nm），实现酶与氧化还原分子分子接线
- 可选 SERS 基底：有序 Ag 纳米腔阵列（700 nm 直径 Ag nanocavities），提供额外约500倍 SERS 增强
- 氧化预处理：大豆过氧化物酶（SBP）催化 H2O2，将 PAH-Os 氧化为 Os(III) 拉曼静默态
中文摘要
本文提出一种基于氧化还原分子线、酶识别和表面增强拉曼散射（SERS）的纳米生物传感器设计框架。传感器以金核壳纳米颗粒为核心，壳层通过层层自组装（LbL）固定葡萄糖氧化酶（GOx）和钌吡啶复合物修饰的聚烯丙胺（PAH-Os）。PAH-Os 作为氧化还原导线和拉曼报告分子，其 Os(II) 与 Os(III) 氧化态具有不同的电子共振拉曼行为：Os(II) 在约510 nm 金属到配体电荷转移（MLCT）共振下产生强拉曼信号，Os(III) 则因共振移至紫外而呈拉曼静默。葡萄糖被 GOx 催化氧化后，电子经 PAH-Os 导线将 Os(III) 还原为 Os(II)，使共振拉曼峰恢复，从而无接触地指示葡萄糖浓度。金纳米颗粒提供局域表面等离子体增强，有序银纳米腔阵列可进一步提供约500倍 SERS 放大。作者还通过双色光谱电化学证明黄素氧化态变化也可被拉曼精细探测。作为概念验证，报道了可响应毫摩尔级葡萄糖的紧凑型 SERS 葡萄糖传感器。
英文摘要
We describe a general framework to design nanobiosensors based on a wired enzyme coupled to a redox molecule and integrated with SERS Au core-shell nanoparticles and ordered nanocavities. The response of the proposed sensor is based on the different electronic resonant Raman behavior of the oxidized or reduced electronic states of the molecular wire, and on the surface plasmon amplification induced by the tailored metallic substrate. The nanobiosensors can be interrogated remotely through the resonant Raman scattering intensity recovery or spectral variation of the redox molecule, an Os-complex, when the latter varies its oxidation state. Alternatively, we show through two-color spectro-electrochemistry that Raman scattering is also finely sensitive to oxidation state changes of flavin, a biomimetic system that mimics the active center of many flavoprotein enzymes. We show that multiple sample spectroscopic ellipsometry gives access to the spectral dependence of the optical constants of single redox-molecule layers, and through it to the electronic resonances of the system. All the components for selective molecular recognition and for the generation of an optical amplified signal, are self-contained in the proposed biosensor. As proof of concept a compact SERS sensor responsive to glucose with millimolar concentration in solution is demonstrated.