1. 引言

癌症被认为是世界范围内发病率高的疾病之一，早期癌症诊断对降低死亡率具有至关重要的作用。酞菁光敏剂因其独特的分子结构和优异的光敏性能，在光动力治疗、药物递送、癌症诊断与治疗等领域受到广泛关注[1] [2]。其中，经过美国食品药品管理局FDA批准的光敏剂铝酞菁由于较宽的吸收光谱、优异的光稳定性、高效的光致发光特性及较低的毒性，已被认为是最具前景的光敏剂。然而，铝酞菁在临床应用中仍受到激发光波长和浓度的限制，这影响了其在实际治疗中的准确性与效果。因此，铝酞菁的检测不仅是提升治疗安全性和诊断精度的关键手段，也是深入理解癌症病理机制的重要途径。

目前，药物检测方法经历了重大的优化和技术进步，使检测更加灵敏、准确和多样化。质谱法[3] [4]、光谱学、紫外–可见光谱法[5] [6]、荧光光谱法[7]、纳米技术[8] [9]和光学成像[10]-[12]已经发展成为广泛的药物检测应用。由于样品制备和数据分析的复杂性，传统的检测方法在物质信号检测中存在一定的局限性。相比之下，金属纳米粒子辅助的表面增强拉曼散射(SERS)技术凭借其高分辨的分子指纹识别能力和无损检测特性，在获取药物信息的研究领域占据了领先地位。其高度特异的指纹图谱能够精确识别分子结构[13]，在药物检测与分析中展现出卓越的灵敏度，即使在极低浓度下也能有效捕获目标信号[14]。一般来说，SERS分析通常使用银、金、铜、铂等金属纳米颗粒及其合金或复合材料，通过调节其表面等离子体共振特性、形态和尺寸来实现差异化增强性能[15] [16]。2009年，田明等人研究了等离子体增强荧光对单个金纳米棒的强极化依赖性，并通过嵌入金纳米棒周围介孔硅壳中的有机荧光物质，通过纳米棒的纵向等离子体共振增强荧光[17]。2021年，Alessandro Verde等人利用表面增强拉曼光谱成功实现了对吸附在50纳米金纳米颗粒表面的内毒素的无标记鉴定和定量评价[18]。其中，金纳米粒子的几何形状显著影响表面等离子体共振效应和局部电磁场增强，从而调节SERS信号的强度和选择性。然而，不同形状的金纳米颗粒对铝酞菁信号的特异性增强尚未得到证实。

因此，为了探究不同形态的金纳米粒子对铝酞菁SERS机理的影响，我们将铝酞菁分子附着在不同形态的金纳米粒子表面，进行了一系列实验(图1)。铝酞菁与金纳米粒子的结合主要依赖于表面修饰剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)所提供的强静电相互作用。CTAB带正电的头基可与铝酞菁的负电荷区域形成静电吸附，同时，金纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)效应可能进一步增强分子间的相互作用，从而实现铝酞菁在金纳米粒子表面的稳定连接[19]。我们采用紫外–可见吸收光谱分析了不同形貌的金纳米粒子对铝酞菁的负载能力，并利用表面增强拉曼散射(SERS)技术对其共轭体系进行了表征。实验结果表明，各类金纳米粒子均能显著增强铝酞菁的拉曼信号，且金纳米六边形粒子的增强效应最为显著。通过有限时域差分(FDTD)模拟，我们发现，相较于金纳米球、金纳米棒和金纳米双锥，金纳米六边形粒子在局域电场增强方面表现最佳，这可能归因于其六角结构更易形成“热点”区域，从而产生更强的局域电场。此外，本文系统探讨了金纳米粒子形貌对SERS效应的影响机制，阐明了不同纳米结构在信号增强中的作用及特点。值得注意的是，光敏剂信号的高灵敏检测在生物研究中具有重要意义，不仅有助于提升疾病诊断与治疗的精度，还为深入解析生物体系中的分子相互作用机制提供了关键支撑。

Figure 1. (a) Schematic coupling of gold nanoparticles and aluminum phthalocyanines; (b) Molecular formula of aluminum phthalocyanine; (c) Molecular formula of CTAB

图1. (a) 金纳米和铝酞菁的偶联示意图；(b) 铝酞菁的分子式；(c) CTAB的分子式

2. 实验仪器与方法

2.1. 化学试剂

铝酞菁购买自百灵威公司，大平面环状结构，由四个苯环和一个中心金属铝离子组成，分子式为C₃₂H₁₆AlCl₈O₁₂S₄，分子量为95.21 g/mol。金纳米球、金纳米棒、金纳米双锥和金纳米六边形均购自Nanoseedz公司。实验室用是Thermo Fisher系统纯化后的18.25 MΩ*cm的超纯水。

2.2. 实验仪器

透射电子显微镜(TEM)使用FEI Tecnai G2 F20显微镜，工作电压为200 kV (FEI Corp, Hillsboro, Oregon, USA)。通过透射电子显微镜(TEM)表征了金纳米颗粒的形状和大小，如图2(a)~(d)所示。

UV-2600i型紫外可见吸收光谱仪为日本岛津公司生产，实验采用1.5毫升的透明石英比色皿。实验开始前以纯净水溶剂作为空白基线参比，在样品测量前进行基线校正。波长范围设置为300~1100纳米，光程设置为1厘米，实验温度设置为25℃。原始数据经origin 2023软件归一化处理。铝酞菁和四种金纳米材料的吸收光谱如图3(a)所示。

采用三维时域有限差分法(Lumerical solutions, Version 2023)进行了模拟，得到了电场分布曲线。分析了金纳米粒子的电场强度。在对金纳米粒子的结构进行建模时，首先定义了模拟区域的几何形状和边界条件，并对直径为100纳米的区域进行了建模。将模拟区域设置为尺寸为0.2 μm * 0.2 μm * 1.6 μm的立方体结构，将模拟金纳米材料放置在模拟区域的中间。模拟金纳米材料旁边的矩形锗基。模拟光源波长为532纳米，位于距离中心0.6微米的金纳米材料上方。仿真结果如图4(a)~(d)所示。

2.3. 金纳米和铝酞菁的共轭物合成

将过量的铝酞菁分别加入0.1 nM金纳米球、0.1 nM金纳米棒、0.01 nM金纳米双锥和0.01 nM金纳米六边形溶液中。在室温下黑色搅拌过夜，然后将样品溶液在转速9000 rpm下离心30分钟。测量上清液中未结合的游离铝酞菁的吸收光谱，计算单个金纳米上负载的铝酞菁。将收集到的共轭化合物重新悬浮在水溶液中进行SERS检测。

2.4. 金纳米和铝酞菁的共轭物的SERS测量

SERS谱采用ANDOR公司生产的SR-500i-D2探测器接收光子撞击样品后发出的信号。共聚焦显微镜为LEICA公司生产的DM2700M，CCD为LAICA公司生产的DFC295，白光源为LAICA公司生产的12/100 W白光。样品的激发波长为532纳米。在本研究中，在8毫瓦激光功率下，使用100倍物镜(NA = 0.75)对所有SERS光谱进行1秒的积分。我们将样品滴在载玻片上，等液体干燥后，将样品放在样品台上进行测试。使用Origin 2023通过Y偏移量分析收集的原始数据。

3. 实验结果与分析

3.1. 金纳米材料的表征

纳米颗粒的大小在决定拉曼增强方面起着至关重要的作用。我们用电子显微镜观察了实验金纳米颗粒的大小、形状和材料的均匀性。图2(a)~(d)显示了四种不同金纳米颗粒的电子显微镜图像。图2中(a₁)、(a₂)是金纳米球的电镜图，其分布均匀，呈球形，直径约为40纳米。图2中(b₁)、(b₂)是金纳米棒的电镜图，其为棒状，棒状长度约为84纳米，末端为钝圆，半圆直径为20纳米。图2中(c₁)、(c₂)是金纳米双锥的电镜图，其整体形状由两个相对的尖端和连接它们的中间部分组成，整体形状为双锥体，顶点角度小于30度，沿尖端长轴的长度约为105纳米，直径约为35纳米。图2中(d₁)、(d₂)是金纳米六边形的电镜图，其整体形状为六边形，有六边六角，平均平行对边距离约为150纳米，厚度约为40纳米。电镜结果表明，金纳米材料的结构在尺寸上表现出一致性和统一性，结构尺寸在整个样品中均匀分布或集中分布。结构的尺寸按规则的方式排列，显示出有序的形状，没有明显的无序或随机性。

用紫外可见分光光度计记录了四种金纳米粒子和铝酞菁在300~1100纳米范围内的吸收光谱。如图3(a)所示，铝酞菁在350纳米和675纳米附近有两个明显的吸收带，其中最大吸收峰为675，吸收强度较强。这些结果表明，铝酞菁在纳米颗粒表面具有明显的光敏性，特别是在红光区。金纳米球在520纳米附近有一个吸收峰，其吸收峰通常在可见光范围内。金纳米棒、金纳米双锥和金纳米六边形的吸收峰在800纳米附近，这使得这些金纳米粒子在近红外光区具有很强的吸收能力。为了使SERS信号最大化，激发波长最好与金纳米粒子的吸收峰匹配，以获得最强的电磁增强效果，同时尽可能接近铝酞菁的吸收带，以触发共振拉曼增强和叠加化学增强效果。基于这一原理，我们选择532纳米作为激发波长。

Figure 2. TEM images of gold nanospheres, gold nanorods, gold bicones and gold hexagons

图2. 金纳米球、金纳米棒、金纳米双锥和金纳米六边形的TEM图像

3.2. 铝酞菁在金纳米颗粒上负载的定量研究

为了研究不同形状的金纳米粒子上铝酞菁的负载量，我们测量了样品上清液中游离铝酞菁的吸收光谱，以及相同浓度和数量的未与金纳米粒子结合的铝酞菁作为对照的吸收光谱。通过对两种吸光度的变化，我们可以估计铝酞菁浓度的变化，并计算铝酞菁与金纳米粒子的结合量。

利用比尔–朗伯定律：

$A=\epsilon \cdot c\cdot l$ (1)

其中，为吸光度，ε为摩尔吸光度系数，反映了特定物质在特定波长处的吸光度能力，c为浓度，l为光程长度。为了保证实验中摩尔吸收系数和光程长度的一致性，采用了标准化的设备、保持稳定的条件、统一的比较器、选择合适的波长、控制样品体积和液位高度等措施，有效地减小了误差，使吸光度只与浓度有关，并呈线性关系。通过测定样品上清液和对照组(不含金纳米粒子的铝酞菁)的吸光度，结合已知的对照组浓度，采用比值法计算样品中游离铝酞菁的摩尔浓度。

根据分子数与摩尔浓度的关系，我们可以推导出直接计算分子数的公式。

摩尔数(n)可以表示为摩尔浓度(C)与溶液体积(V)的乘积，由公式给出：

$n=C\cdot V$ (2)

分子数(N)与摩尔数(n)和阿伏伽德罗常数(N_A)的关系式为：

$N=n\cdot N_A$ (3)

结合式(2)和式(3)，我们可以推导出计算分子数的直接公式：

$N=C\cdot V\cdot N_A$ (4)

该方程阐明了摩尔浓度、溶液体积和阿伏伽德罗常数之间的关系，从而有效地计算了样品上清液中游离铝酞菁分子的数量。

图3(b)显示，将过量的铝酞菁与四种金纳米粒子充分反应后，通过离心获得上清(NS-AlPcs、PEG-AlPcs、NBP-AlPcs和GNPL-AlPcs)的紫外–可见吸收光谱，评价不同形状的金纳米粒子与铝酞菁的结合能力。为了便于数据的直观比较，将对照组铝酞菁的吸光度归一化为1，并计算吸光度比。离心上清吸光度分别为0.825 (NS-AlPcs)、0.71 (PEG-AlPcs)、0.66 (NBP-AlPcs)和0.45 (GNPL-AlPcs)。吸光度与铝酞菁的摩尔浓度正相关。上清液吸光度降低表明游离铝酞菁减少，说明更多铝酞菁与金纳米颗粒结合。金纳米六边形上清吸光度最低，负载能力最强，其次是双锥和棒，球最弱。六边形因较大的比表面积、规则平面结构和高表面能，提供了更多结合位点，且其晶体结构与铝酞菁更匹配，均匀电荷分布增强了静电作用。双锥和棒因表面积和表面能较低，负载能力次之，而球因比表面积小、表面能低、结构匹配差和电荷集中，负载能力最弱。因此，六边形在铝酞菁负载方面表现最优。在实验数据的基础上，考虑到金纳米粒子的总数，利用公式计算了铝酞菁与金纳米粒子的结合数。单个金纳米球、金纳米棒、金纳米双锥和金纳米六边形的铝酞菁负载量分别为10⁵、2.5 * 10⁵、3.4 * 10⁵和6.5 * 10⁵。结果进一步表明，金纳米六边形的铝酞菁负载能力显著高于其他形状的金纳米颗粒，而金纳米球的负载能力最弱。

Figure 3. (a) Gold nanospheres, gold nanorods, and gold nanodouble cones. Ultraviolet-visible absorption spectra of gold nano hexagon and aluminum phthalocyanine; (b) UV-VIS absorption spectra of the supernatant (NS-AlPcs, PEG-AlPcs, NBP-AlPcs and GNPL-AlPcs, respectively) obtained by centrifugation after reaction of AuNS, AuPEG, AuNBP, AuGNPL and AlPcs solutions and the control group AlPcs

图3. (a) 金纳米球、金纳米棒、金纳米双锥、金纳米六边形以及铝酞菁的紫外–可见吸收光谱；(b) AuNS, AuPEG, AuNBP，AuGNPL和AlPcs溶液反应后，离心得到的上清液(分别为(NS-AlPcs，PEG-AlPcs，NBP-AlPcs和GNPL-AlPcs)和对照组AlPcs的紫外–可见吸收光谱

3.3. 金纳米粒子电磁场强度的模拟分析

我们通过仿真软件模拟不同形状金纳米粒子的局域电场分布，评估其SERS性能。模拟结果可预测颗粒的增强效率，并与实验数据对比验证。金纳米颗粒负载的带负电铝酞菁分子数量与局部电磁场强度密切相关。局部表面等离子体共振显著增强电场，有效吸引并定位带负电分子，通过增强静电力与感应偶极相互作用，提高分子与金属表面的结合稳定性。增强电场在金纳米颗粒表面形成多个高场强热点，提供更多结合位点和更强吸附能力，显著增加分子负载量。

为了研究不同形状的金纳米粒子在光场中的电磁特性，我们模拟了四种几何形状的金纳米粒子在532纳米波长照射下的局部电场强度。利用时域有限差分(FDTD) [20] [21]方法分析了这些粒子在电磁场中的响应，为深入了解热点分布特征及其对铝酞菁吸附行为的影响提供了重要的理论支持。

如图4(a)~(d)所示，金纳米六边形板的电场强度高于金纳米球、棒和双锥，且后三者的场强依次递增。六边形板因更大的表面积和更强的局部电场增强效应，表现出更高的电场强度。其几何对称性更易支持表面等离子体共振，导致电场集中和增强，尤其在尖端和边缘形成高场强热点。此外，六边形板的多极共振效应进一步增强了电场的集中和局部增强效果。

实验结果进一步验证了吸收光谱的结果。综上所述，金纳米六角形板是电场强度最强的，也是承载铝酞菁数量最多的衬底。这种双重属性显著提高了拉曼信号的增强效果，对提高拉曼光谱分析的灵敏度具有重要意义。

Figure 4. (a)~(d) Finite difference Time domain (FDTD) simulation of gold nanospheres, gold nanorods, gold bicones and gold hexagons; (e) Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) of 4 concentrations of AlPcs as control group and SERS of conjugations formed with gold nanoparticles (NS@AlPcs, PEG@AlPcs, NBP@AlPcs, and GNPL@AlPcs); (f) Amplified surface-enhanced Raman spectra of AlPcs at four control concentrations

图4. (a)~(d) 金纳米球、金纳米棒、金纳米双锥和金纳米六边形的时域有限差分(FDTD)模拟图；(e) 4个浓度作为对照组的AlPcs的表面增强拉曼光谱(SERS)，以及与金纳米颗粒形成的偶联物(NS@AlPcs、PEG@AlPcs、NBP@AlPcs、和GNPL@AlPcs)的SERS；(f) 四种对照浓度下AlPcs的放大表面增强拉曼光谱

3.4. 金纳米颗粒承载铝酞菁的表面增强拉曼光谱

拉曼散射是一种通过激发分子的振动和旋转模式而产生的光散射现象[22]。加入金纳米粒子后，由于金纳米粒子表面的局部电场增强效应而诱发SERS。由于SERS效应与金纳米粒子的局部电场强度直接相关，因此更强的电场可以显著增强SERS效应，使带负电的铝酞菁分子的振动模式更容易被检测到。基于这一背景，我们研究了负载四种不同形状的金纳米粒子的铝酞菁的SERS。

为了研究SERS信号强度与铝酞菁浓度之间的关系，我们测量了一系列浓度的SERS信号。制备四种已知浓度(1 μM、2 μM、4 μM和8 μM)的铝酞菁溶液作为校准标准。图4(f)显示了这些浓度对应的SERS信号。铝酞菁在1387 cm⁻¹和1582 cm⁻¹表现出两个显著的特征峰；然而，整体信号强度相对较低，特征峰1387 cm⁻¹和1582 cm⁻¹的信号强度分别约为1580和1750。考虑到浓度变化对游离铝酞菁的SERS信号影响最小，为了便于后续的分析和比较，我们对数据进行基线偏移校正。为了进一步分析铝酞菁的增强效果，我们选择1387 cm⁻¹处的光谱峰作为参考。通过计算该峰最高点和最低点之间的差值，确定平均差值约为218。该值将作为将来比较增强效果时游离铝酞菁的基准。

为了验证金纳米粒子对铝酞菁拉曼信号的增强作用，我们测量了四种不同类型的金纳米粒子及其相应的铝酞菁标准浓度的SERS光谱。图4(e)为金纳米球、金纳米棒、金纳米双锥和金纳米六边形与铝酞菁结合后的SERS光谱(分别用NS@AlPcs、PEG@AlPcs、NBP@AlPcs、和GNPL@AlPcs表示)。与标准浓度下铝酞菁的SERS谱相比，1387 cm⁻¹和1582 cm⁻¹处的拉曼信号强度显著增强。在1387 cm⁻¹处，不同的金纳米粒子显著提高了铝酞菁的SERS信号强度。具体来说，NS@AlPcs的峰值差(最高点和最低点之间的差)约为1307，PEG@AlPcs为2386，NBP@AlPcs为3828，GNPL@AlPcs为4125。而同一位置的游离铝酞菁的峰差为218。这对应于NS@AlPcs的增强因子约为6倍，PEG@AlPcs的增强因子约为11倍，NBP@AlPcs的增强因子约为18倍，GNPL@AlPcs的增强因子约为19倍，说明GNPL@AlPcs的信号增强性能最高。

与铝酞菁的传统拉曼光谱相比，金纳米粒子结合铝酞菁的信号在1387 cm⁻¹和1582 cm⁻¹处显著增强。在不同形式的金纳米颗粒中，金纳米六边形的增强效果最为显著，其次是金纳米球、金纳米棒和金纳米双锥。这一观测结果与电磁场模拟和吸收光谱的结果高度一致。金纳米六边形之所以具有显著的增强效应，主要是由于其尖锐的角度和边缘结构有助于局部电场的增强。此外，金纳米六边形比其他形式的金纳米更有效地诱导表面等离子体共振。当金属表面的自由电子与入射光相互作用时，发生表面等离子体共振，显著放大局部电场，从而增强SERS信号。因此，与其他金纳米颗粒相比，金纳米六边形的增强效果可能是形貌、局部电场增强和表面等离子体共振等多种因素共同作用的结果。

4. 总结

本研究通过实验和模拟分析，揭示了不同形状金纳米粒子在铝酞菁负载及SERS性能方面的差异。金纳米六边形板因其较大的比表面积、规则的平面结构、高表面能以及优化的晶体结构和电荷分布，表现出最高的铝酞菁负载能力，单个六边形板可负载约6.5 * 10⁵个铝酞菁分子，其SERS信号增强效果最为显著，达到约19倍，远高于金纳米球(6倍)、棒(11倍)和双锥(18倍)。通过时域有限差分(FDTD)模拟，发现金纳米六边形板的局部电场强度显著高于其他形状，其几何对称性和多极共振效应促进了表面等离子体共振，导致电场在尖端和边缘集中，形成高场强热点，进一步增强了铝酞菁的吸附和SERS信号。这一研究为优化纳米材料在生物传感和光谱分析中的应用提供了重要依据。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献