第一作者：张东杰、彭乐钦
通讯作者：方吉祥教授、任斌教授
通讯单位：西安交通大学、厦门大学
研究亮点：
1. 本文结合荧光成像与接触角表征，分析了含有轻质微球的液滴在疏水滑移衬底表面的蒸发过程，漂浮颗粒策略有效地消除了“咖啡环”效应，实现了微液滴在单颗粒表面及颗粒-颗粒颈部的高效浓缩干燥。
2. 报道了一种新颖的浓缩富集型等离激元增强拉曼/荧光光谱方法，可实现待测分子的高效浓缩富集（~104富集因子）及空间定位，获得了单分子检测水平的纳米传感新方案。
研究背景
单分子及痕量分子水平检测是人类对物质世界认知的一贯追求。单分子表面增强拉曼散射（SERS）现象的发现使得SERS技术的检测能力达到了超灵敏的单分子水平，从而受到了物理、化学和生物医学等研究者的广泛青睐。初步的研究预示着SERS技术在环境污染、食品卫生、生命医学、反恐军事、文物鉴定等多个国家急需技术领域的便携式快速检测具有广阔应用前景。
SERS的活性依赖于光-纳米结构-分子三者之间的相互作用。过去十几年，研究人员集中的研究了光与纳米结构相互作用来提高局域化电磁场增强这一重要基本科学问题，也制备了诸如纳米间隙、纳米尖及纳米孔等多种贵金属热点结构。然而，该技术在商业化进程中，仍存在很多挑战。例如，商用溶胶聚沉方案由于短时间内无法取得弱吸附分子在纳米结构表面的快速吸附，而固定衬底方法仍存在分子快速吸附、咖啡环效应及成本等诸多技术问题。因此，如何高效的把待测分子空间上局域化到等离激元热点区域，提高分子与纳米结构的相互作用仍然是提高SERS检测灵敏度，实现单分子水平的超灵敏传感至关重要的科学技术问题。
成果简介
有鉴于此，西安交通大学方吉祥教授团队基于对“咖啡环”效应的理解，提出液滴干燥过程中利用轻质漂浮颗粒物策略来消除“咖啡环”效应的学术思想实现分子的高度浓缩富集、分子的空间局域化效应及空间定位（如下图1所示）。联合西安交通大学白博峰教授团队、厦门大学任斌教授、青岛生物能源与过程研究所徐健研究员等团队，通过深入研究单颗粒、双颗粒方案，实现了超高的分子浓缩富集能力（~104富集因子）、空间定位能力，并揭示了背后的理论机理。通过双颗粒策略，可实现对常规分子fM、aM水平的检测灵敏度，例如结晶紫分子在10 fM下100%的检出率。该研究也得到复旦大学赵东元院士的帮助与支持。
图1. 基于轻质微球策略的增强光谱技术方案示意图
要点1. 待测分子的浓缩富集及空间定位
首先，研究团队选用多步生长法在轻质空心二氧化硅微球表面包覆一层致密的金纳米颗粒作为等离激元增强材料。随后，将SiO2/Au核壳轻质微球与待测分子滴加到具有低表面能的疏水滑移衬底上，在蒸发过程中，轻质微球始终漂浮在液滴表面，这样可有效消除三相界面的钉扎效应。溶剂蒸干后，如下图2所示，染料分子（结晶紫）能够完全富集浓缩在颗粒-颗粒颈部或者单颗粒表面，对于双颗粒模型，界面区域分子的拉曼信号是非界面区域的10-20倍。
图2. 待测分子的浓缩富集及空间定位
要点2. 轻质漂浮颗粒的聚集机制研究
接下来，研究团队利用接触角变化以及受力分析对轻质微球的聚集过程进行了深入研究，如下图3所示，相对于传统的金纳米颗粒以及实心二氧化硅微球，作者采用的轻质空心微球在蒸发过程能够完全消除“咖啡环”效应。尤其是在溶剂蒸发的最后阶段，由于aggregation effect以及lifting effect，最后干燥的微小液滴能从衬底上被颗粒颈部抬起，实现分子在颗粒-颗粒的间隙区域的局域化，达到空间定位效果。
图3. 漂浮颗粒策略蒸发过程与浓缩富集机理研究
要点3. 轻质微球筛选及超灵敏SERS检测
最后，研究团队通过优化工艺能够实现单个及多个轻质漂浮颗粒的有效筛选，其单颗粒筛选几率可达70%~80%左右。通过双颗粒策略，能够实现对常规分子fM、aM水平的超灵敏检测，例如CV分子在10 fM浓度下具有100%的检出率，相对于传统的金纳米颗粒具有3~4个数量级的性能提升，展示出优异的检测灵敏性。此外，持续有机污染物（POPs）作为常见弱吸附分子，利用此方法同样能够实现高灵敏检测，例如BPA分子的最低检测浓度可低至0.1 ppb水平。
图4 轻质微球筛选方案及增强拉曼/荧光性能
小结
综上所述，作者提出了一种新颖的等离激元增强光谱传感策略，具体由轻质漂浮颗粒、待测分子以及疏水滑移衬底三部分组成。该方法具有超高的分子浓缩富集能力、空间局域化效应以及空间定位等优势，为制备具有高灵敏性和实用性的SERS活性衬底提供了一种新的思路，在基于增强光谱技术的现场、快速、便携式分子检测方面具有极强的应用价值。
参考文献
Zhang, D., Peng, L., Shang, X. et al. Buoyant particulate strategy for few-to-single particle-based plasmonic enhanced nanosensors. Nat Commun 11, 2603 (2020).
DOI: 10.1038/s41467-020-16329-y
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16329-y
