科學島團隊研發出快速檢測不同大小分析物的通用型SERS基底

　　近期，中國科學院合肥物質院固體所孟國文團隊與西湖大學文燎勇團隊合作，設計構筑了一種基于貴金屬“錐形納米槽 -隙陣列”的通用型表面增強拉曼散射基底，實現了對各種小分子（例如，R6G、甲基對硫磷、福美雙和黃曲霉毒素）和生物大分子（例如，阿茲海默疾病標志物Aβ低聚物、牛血清白蛋白、以及SARS-CoV-2假病毒）等不同尺寸分析物的高靈敏快速檢測。相關成果以內頁封面文章的方式發表在ACS Nano上。

　　圖1. 封面文章，金屬“錐形納米槽  -隙陣列” SERS 基底。

　　表面增強拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering, SERS）光譜技術因其具有靈敏度高、響應速度快、指紋識別等優點，在環境污染物檢測、食品安全篩查和生物傳感等領域具有廣闊的應用前景。當兩個金屬納米結構單元之間的距離小于10 nm時，其“間隙處”會產生極強的耦合電磁場，通常稱為SERS“熱點”。一旦分析物分子進入熱點區域，其拉曼信號將被顯著放大，從而實現對超低濃度分析物的快速檢測。因此，設計構筑尺寸小、分布均勻的“納米間隙”是SERS檢測領域研究的難點與挑戰。然而，隨著間隙尺寸減小到納米尺度，分析物進入間隙中的難度也急劇增加，特別是大尺寸的蛋白質和病毒等分析物將無法進入到尺寸狹小的納米間隙中，這就制約了SERS檢測技術對大尺度分析物的檢測。因此，迫切需要開發一種可適用于各種不同大小尺寸分析物檢測的高靈敏度、通用型SERS基底。

　　圖2. 金屬“錐形納米槽  -隙陣列”的設計及 FDTD 模擬結果。上槽中激發的 2D 間隙表面等離激元模式和在下隙中激發的局域表面等離激元共振模式相互耦合，實現了大模式空間分布的強耦合場增強。

　　鑒于此，科研人員設計了一種獨特的“上端為開口向上的錐形槽-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，因此簡稱為“錐形納米槽-隙陣列”。時域有限差分法（FDTD）模擬結果表明，當上端錐形槽的開口角度從最初的0°逐漸張開到4.5°時，光場被局域在開放空腔內，位于上端的“錐形溝槽”激發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”激發的局域表面等離激元共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）模式相互耦合，產生強耦合的場增強效應，形成大模式空間分布的強耦合場（圖2），預示著這種金屬“錐形納米槽-隙陣列”在SERS檢測領域具有廣闊的應用前景。

　　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構表征結果。

　　為了能夠大規模可重復地制備這種金屬“錐形納米槽-隙陣列”SERS基底，科研人員以預先經過大面積凸模壓印的鋁片作為起始材料，采用“陽極氧化與擴孔”多次循環進行的新技術，制備了大面積有序排列的“錐形納米槽-隙陣列”的多孔陽極氧化鋁（AAO）模板；進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等相關技術，成功構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檢測過程中，上端開口的錐形溝槽結構可以高效抓捕大尺寸的分析物，并通過激發二維間隙表面等離激元2D GSPs充當光收集器；位于下端的納米間隙充當帶有能量約束的納米天線，在開放空腔中激發強烈的光與物質相互作用。得益于大的模式空間分布強耦合場，這種金屬“錐形納米槽-隙陣列”可作為一類通用（Universal）的SERS基底，用于快速檢測具有不同尺寸大小的多種目標分析物。

　　實驗結果表明，該金屬“錐形納米槽-隙陣列”SERS基底對小尺寸探針分子羅丹明R6G的檢測靈敏度低至10-14M，增強因子高達1.192×108，檢測信號相對標準偏差（RSD）僅7%。進而，采用這種新型SERS基底，實現了對約2nm大小的阿茲海默疾病標志物、長度為8.3nm-26.7nm的牛血清白蛋白以及約160nm大小的SARS-CoV-2假病毒的有效捕獲和快速靈敏識別（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技術檢測不同尺寸大小的各種待檢物開辟了新途徑，具有重要的理論意義和實際應用價值。

　　圖4. 阿茲海默疾病標志物、牛血清白蛋白、SARS-CoV-2假病毒等大尺寸分析物的SERS檢測結果。

　　固體所博士生閆思思和西湖大學博士生孫嘉誠為論文的共同第一作者，孟國文和文燎勇（西湖大學）為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金重點項目和安徽省科技重大專項等支持。