近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所孟國(guó)文團(tuán)隊(duì)與西湖大學(xué)文燎勇團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)構(gòu)筑了一種基于貴金屬“錐形納米槽-隙陣列”的通用型表面增強(qiáng)拉曼散射基底，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種小分子（例如，R6G、甲基對(duì)硫磷、福美雙和黃曲霉毒素）和生物大分子（例如，阿茲海默疾病標(biāo)志物Aβ低聚物、牛血清白蛋白、以及SARS-CoV-2假病毒）等不同大小尺寸分析物的高靈敏快速檢測(cè)。相關(guān)成果以內(nèi)頁(yè)封面文章發(fā)表在ACS Nano 2023, 17, 22766?22777（圖1）。

表面增強(qiáng)拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering, SERS）光譜技術(shù)因其具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、指紋識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境污染物檢測(cè)、食品安全篩查和生物傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)兩個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)單元之間的距離小于10 nm時(shí)，其“間隙處”會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的耦合電磁場(chǎng)，通常稱(chēng)為SERS“熱點(diǎn)”。一旦分析物分子進(jìn)入熱點(diǎn)區(qū)域，其拉曼信號(hào)將被顯著放大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超低濃度分析物的快速檢測(cè)。因此，設(shè)計(jì)構(gòu)筑尺寸小、分布均勻的“納米間隙”是SERS檢測(cè)領(lǐng)域研究的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。然而，隨著間隙尺寸減小到納米尺度，分析物進(jìn)入間隙中的難度也急劇增加，特別是大尺寸的蛋白質(zhì)和病毒等分析物將無(wú)法進(jìn)入到尺寸狹小的納米間隙中，這就制約了SERS檢測(cè)技術(shù)對(duì)大尺度分析物的檢測(cè)。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種可適用于各種不同大小尺寸分析物檢測(cè)的高靈敏度、通用型SERS基底。

鑒于此，固體所科研人員設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的“上端為開(kāi)口向上的錐形槽-下端為矩形窄縫隙”陣列的SERS基底，其中上端的錐形槽和下端的矩形窄縫隙的尺度均為納米級(jí)，因此簡(jiǎn)稱(chēng)為“錐形納米槽-隙陣列”。時(shí)域有限差分法（FDTD）模擬結(jié)果表明，當(dāng)上端錐形槽的開(kāi)口角度從最初的0°逐漸張開(kāi)到4.5°時(shí)，光場(chǎng)被局域在開(kāi)放空腔內(nèi)，位于上端的“錐形溝槽”激發(fā)的二維間隙表面等離激元（Two-Dimensional Gap-Surface Plasmons, 2D GSPs）模式和位于“下端約5 nm的矩形間隙”激發(fā)的局域表面等離激元共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）模式相互耦合，產(chǎn)生強(qiáng)耦合的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，形成大模式空間分布的強(qiáng)耦合場(chǎng)（圖2），預(yù)示著這種金屬“錐形納米槽-隙陣列”在SERS檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了能夠大規(guī)模可重復(fù)地制備這種金屬“錐形納米槽-隙陣列”SERS基底，科研人員以預(yù)先經(jīng)過(guò)大面積凸模壓印的鋁片作為起始材料，采用“陽(yáng)極氧化與擴(kuò)孔”多次循環(huán)進(jìn)行的新技術(shù)，制備了大面積有序排列的“錐形納米槽-隙陣列”的多孔陽(yáng)極氧化鋁（AAO）模板；進(jìn)而采用在這種模板表面蒸鍍貴金屬與聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等相關(guān)技術(shù)，成功構(gòu)筑了一系列具有不同幾何特征與尺寸的金屬“錐形納米槽-隙”陣列（圖3）。在SERS檢測(cè)過(guò)程中，上端開(kāi)口的錐形溝槽結(jié)構(gòu)可以高效抓捕大尺寸的分析物，并通過(guò)激發(fā)二維間隙表面等離激元2D GSPs充當(dāng)光收集器；位于下端的納米間隙充當(dāng)帶有能量約束的納米天線，在開(kāi)放空腔中激發(fā)強(qiáng)烈的光與物質(zhì)相互作用。得益于大的模式空間分布強(qiáng)耦合場(chǎng)，這種金屬“錐形納米槽-隙陣列”可作為一類(lèi)通用（Universal）的SERS基底，用于快速檢測(cè)具有不同尺寸大小的多種目標(biāo)分析物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該金屬“錐形納米槽-隙陣列”SERS基底對(duì)小尺寸探針?lè)肿恿_丹明R6G的檢測(cè)靈敏度低至10-14 M，增強(qiáng)因子高達(dá)1.192 × 108，檢測(cè)信號(hào)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）僅7 %。進(jìn)而，采用這種新型SERS基底，實(shí)現(xiàn)了對(duì)約2 nm大小的阿茲海默疾病標(biāo)志物、長(zhǎng)度為8.3 nm-26.7 nm的牛血清白蛋白以及約160 nm大小的SARS-CoV-2假病毒的有效捕獲和快速靈敏識(shí)別（圖4），表明這種新型SERS基底具有很好的普適性和可靠性，為用SERS技術(shù)檢測(cè)不同尺寸大小的各種待檢物開(kāi)辟了新途徑，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

固體所博士生閆思思和西湖大學(xué)博士生孫嘉誠(chéng)為論文的共同第一作者，孟國(guó)文和文燎勇（西湖大學(xué)）為共同通訊作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和安徽省科技重大專(zhuān)項(xiàng)等資助。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c07458

圖1. ACS Nano 2023, 17, 22766?22777內(nèi)封面文章。金屬“錐形納米槽-隙陣列”SERS基底。

圖2. 金屬“錐形納米槽-隙陣列”的設(shè)計(jì)及FDTD模擬結(jié)果。上槽中激發(fā)的2D間隙表面等離激元模式和在下隙中激發(fā)的局域表面等離激元共振模式相互耦合，實(shí)現(xiàn)了大模式空間分布的強(qiáng)耦合場(chǎng)增強(qiáng)。

圖3. 金屬“錐形納米槽-隙陣列”的制備流程示意圖及其形貌結(jié)構(gòu)表征結(jié)果。

圖4. 阿茲海默疾病標(biāo)志物、牛血清白蛋白、SARS-CoV-2假病毒等大尺寸分析物的SERS檢測(cè)結(jié)果。