具有分子浓缩富集功能的金纳米颗粒阵列SERS器件构建

分子传感器件能在复杂的液相环境中特异性检测极其微量的疾病标志物、有毒有害、易燃易爆物质等，在生命健康、生态环境、国防安全等领域具有重要应用。理想的分子传感器件需要具有高灵敏性、强特异性、生物兼容性、多重检测能力等。表面增强拉曼光谱（SERS）能够反映分子的结构信息，具有天然的特异性检测能力，具有窄谱峰带来的多重检测能力，具有对水不敏感带来的生物兼容性，是一类重要的分子传感技术。SERS传感器件的灵敏性主要源于“热点”，通常位于< 10 nm贵金属微纳结构的间隙区域。当待测分子恰好位于“热点”位置时，甚至可以实现单分子检测。经过几十年的研究，富含高密度“热点”的SERS器件合成已不是难题。然而，如何将微量的待测分子从极稀溶液中富集并输运到SERS“热点”位置仍是个重要的挑战。

前期，浙江大学杨士宽研究员团队通过将能够排斥任何液体的润滑液浸渍表面（SLIPS）引入到SERS器件中，构建了SLIPSERS集成式纳米传感器件平台，在溶剂挥发的过程中，实现了待测分子的高效浓缩富集和超灵敏SERS检测（PNAS, 2016, 113, 268-273；他引500余次）；将聚二甲基硅氧烷（PDMS）单层分子刷超滑表面和金属有机框架结构引入SERS传感器件中，实现了待测分子的高效浓缩富集和尺寸选择性SERS检测（Nano Lett., 2021, 20, 7304-7312；他引150余次）；将超声悬浮技术引入到SERS传感器件中，在声悬浮液滴挥发的过程中，首次实现了待测分子的无损浓缩富集20000倍以上，使SERS检测限提升了四个数量级（Nat. Commun., 2022, 13, 7807）。

金纳米颗粒膜是一类典型的SERS衬底，当液体样品挥发后，待测分子会在颗粒膜表面形成厘米尺度的“咖啡环”。但SERS检测用激光光斑仅有亚毫米大小，因此如何将待测分子浓缩富集到亚毫米区域是亟待解决的科学问题。最近，浙江大学杨士宽研究员（点击查看介绍）团队与浙一附院阮健医生（点击查看介绍）合作，发展了一种赋予金纳米颗粒膜超滑不沾特性的新技术，解决了金纳米颗粒膜上形成“咖啡环”的问题，使金纳米颗粒膜SERS衬底具有了分子浓缩富集功能，大幅提升了SERS检测的灵敏性。

图1. (a) 在自组装金纳米颗粒膜表面制备0.75 nm厚度氧化硅层，并修饰单层PDMS分子刷形成超滑不沾表面。(b) 将金纳米颗粒引入待分析液滴中，随着溶剂的挥发，在金纳米颗粒膜表面形成金纳米颗粒/待测分子团聚体，实现双重SERS增强。

实验表明，金纳米颗粒膜使其上金纳米颗粒团聚体的SERS灵敏性提升了10.5倍，能够实现水和酒精中亚pM浓度化学分子的SERS检测，以及两种分子的同时SERS检测（图2）。

图2. (a-c) FDTD模拟结果。(d) 不同结构的SERS性能。(e-f) 水和酒精中CV分子的检测。(g) SERS峰强与待测分子浓度关系。(h) 超滑金纳米颗粒膜表面浓缩富集SERS检测示意图。(i-j) 酒精中MATT和R6G分子检测。(k) MATT和R6G分子的同时SERS检测。

上述成果于近日发表在Nano Letters 杂志上。博士生陈雪妍为论文第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Slippery Au Nanosphere Monolayers with Analyte Enrichment and SERS Enhancement Functions

Xueyan Chen, Aoran Cui, Mengye He, Mi Yan, Xiaochen Zhang, Jian Ruan*, Shikuan Yang*

Nano Lett., 2023, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02238

导师介绍

杨士宽

https://www.x-mol.com/university/faculty/53208 

阮健

https://www.x-mol.com/university/faculty/354701