英文原题：A vivid Au-porous anodic alumina composite film with the inverted taper structure for label-free detection

第一作者：俞朱敏（叶常青教授21级研究生）、赵凯博士

通讯作者：叶常青教授、宋延林教授

作者：俞朱敏、赵凯、李琳、叶常青、董予翔、宋延林

       近年来，基于贵金属纳米颗粒局域表面等离子共振(LSPR)效应的无标记检测技术引起了研究学者的广泛兴趣，在生化传感、环境检测和人体健康检测等领域具有巨大的应用潜力。多孔阳极氧化铝(PAA)由于其特殊的六方密排结构和较高的有序性，能够通过光和微纳结构的相互作用控制和操纵光的发射、传播和吸收。此外，PAA具有良好的耐化学性、热稳定性、生物相容性和大表面积等优点，可作为LSPR中无标记检测的基底。然而，现有的基于贵金属纳米颗粒LSPR效应的PAA基底仍存在着灵敏度较低和检出限较差等问题，主要原因是由于现有基于贵金属纳米颗粒LSPR效应的PAA基底大多以直孔结构为主，这无法充分利用纳米孔的光捕获能力。因此，通过设计具有特殊的光子纳米结构和贵金属纳米颗粒的LSPR效应相结合，有望提高入射光的利用效率，从而增强PAA基底的无标记检测能力。

       中科院化学所宋延林研究员和苏州科技大学叶常青教授课题组通过了一种多步阳极氧化和扩孔交替进行的方法，制备出一种具有多彩鲜艳结构色的倒锥结构金/多孔氧化铝复合结构，并成功应用于葡萄糖溶液浓度和凝血酶物质的无标记检测。高饱和明亮的结构色是由氧化铝多孔结构形成的法布里-珀罗干涉和金纳米粒子等离子体效应协同作用产生的。通过调控多孔氧化铝结构的高-径比参数，可以得到从紫、蓝、绿、黄、红色系列色彩的结构色。倒锥型的PAA结构提供了一种梯度折射率界面，有助于减少界面反射率，从而增强无标记检测的光汇聚能力。此外，通过使用时域有限差分(FDTD)模型预测了复合薄膜反射率峰值与薄膜高度之间的关系，结果显示模拟数据与实验结果吻合较好。作为概念验证，通过Au-PAA复合膜实现了对各种试剂(水、乙醇、乙二醇、甘油和葡萄糖)、葡萄糖浓度(折射率灵敏度为376 nm / RIU)和凝血酶(检测限0.1×10^-7 mol/L)的无标记检测。因此，这种先进的Au-PAA复合薄膜在无标记生物检测领域具有良好的应用前景。

图1 倒锥结构Au-PAA复合膜的制备工艺

图2 (a)倒锥结构Au-PAA复合薄膜的SEM截面图；(b)Au-PAA复合膜的光学薄膜干涉结构色机理示意图；(c)各种PAA不同高度的Au-PAA复合薄膜实物照片；(d)不同PAA高度的Au-PAA复合薄膜的归一化反射谱；(e)由FDTD模拟结构计算得出理论反射谱

图3 (a)Au-PAA复合薄膜在不同介质中的归一化反射光谱；(b)反射峰波长与介质折射率的关系

图4 (a)不同浓度葡萄糖溶液在400 ~ 800 nm处的归一化反射率光谱和(b)放大的反射率光谱；(c)不同浓度葡萄糖溶液的反射率指数比曲线(以水中反射率谱为基准)；(d)反射率峰值波长和反射率指数比作为不同葡萄糖溶液折射率的函数图

图5 (a)Au-PAA复合膜无标记检测凝血酶示意图；(b)不同浓度凝血酶下Au-PAA复合薄膜在不同波长下的反射率指数比光谱；(c)不同孔结构的PAA复合薄膜在不同浓度下的反射率指数比光谱；(d)不同金纳米颗粒溅射时间Au-PAA复合薄膜在凝血酶浓度下的反射率指数比光谱

A vivid Au-porous anodic alumina composite film with the inverted taper structure for label-free detection

Zhumin Yu^#, Kai Zhao^#, Lin Li, Changqing Ye*, Yuxiang Dong, Yanlin Song*

Nano Res. 2023, 16: 9997–10003.

Published Online: 08 March 2023

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-023-5549-6