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多孔合金纳米球实现高灵敏度的分子检测

金、银等贵金属纳米材料在可见光的激发下表现出强烈的表面电磁场增强。当目标分子吸附于其表面时,这些分子原本很微弱的拉曼光谱信号可以得到显著的提升。该现象被称为表面增强拉曼散射(SERS),据此可实现对多种化学成分和生物分子的高灵敏度的检测,因此具有重要的实际应用价值。


基于该技术的分子检测性能在很大程度上依赖于拉曼“热点”纳米结构的有效构筑。这些热点区域具有极强的表面电磁场,可极大地提升目标分子的拉曼信号。另一方面,拉曼信号的强弱还取决于目标分子能否有效地吸附于贵金属纳米材料的热点区域。在金、银等贵金属纳米材料的制备过程中,通常需要引入有机表面封端剂来维持其粒子的分散性和胶体性质。这些有机物可显著抑制目标分子在贵金属表面和热点区域的有效吸附。因此,如何构筑高密度的拉曼热点并实现待测分子在热点区域的有效富集成为该技术的一项重要挑战。


针对这一问题,西安交通大学高传博教授课题组及其在美国加州大学河滨分校的合作者殷亚东教授等设计合成了一类新型的贵金属纳米材料。他们首先在二氧化硅的保护下通过高温退火作用将一类具有金-银核壳结构的纳米球转变为合金纳米球,然后通过“去合金化”的方法将银刻蚀出来,而未被刻蚀的金得以重组,形成了一类具有多孔结构的金银合金纳米球;这些高密度的纳米孔道成为待测分子的拉曼热点。另一方面,为避免引入有机表面封端剂,他们将这些多孔金银合金纳米球包裹在一层极薄的二氧化硅壳层里面。这层极薄的二氧化硅一方面保证了多孔纳米球稳定的胶体性质,另一方面,由于它们富含结构缺陷,待测分子很容易穿过这层二氧化硅壳并进入拉曼热点区域。基于这两方面的结构设计,该材料有望在SERS应用中表现出优异的性能。

左:二氧化硅保护的多孔金银合金纳米球的透射电镜图片;右:拉曼热点的数值模拟。


实验结果表明,该材料可灵敏地检测位于溶液或基底上的目标分子。非常有趣的是,由于其优异的分子检测性能,该材料还可作为单颗粒的“纳米探头”,用于局域目标分子的高灵敏度检测,因此在原位分析和示踪成像等方向具有广阔的应用前景。

左:单颗粒SERS结果;右:单颗粒在光学显微镜和扫描电镜下的成像。


相关研究结果发表在国际纳米材料领域权威期刊《纳米快报》(Nano Letters)上。


http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b00868


原文:Porous Au-Ag Nanospheres with High-Density and Highly Accessible Hotspots for SERS Analysis

Nano Lett., 2016, 16, 3675-3681, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00868


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