【研究背景】
表面增强拉曼光谱(SERS)是将纳米技术与拉曼光谱结合的技术，因其超灵敏检测和指纹信息的优势被广泛应用于各个领域。通常，一个具有高度SERS活性的基底具有许多“热点”，即两个相邻贵金属纳米粒子之间的连接和间隙。但是，位于这些“热点”中1%的分子贡献了总SERS强度的70%，不可避免地导致定量能力差，并且狭窄的间隙无法使尺寸较大的分析物接近。考虑到采样过程需要控制检测基质中的分析物与纳米颗粒之间的距离，设计有前途的纳米传感器系统在提高传感稳定性和可重复性方面仍然存在困难。
本课题组开发了一种基于双级主客体结构的SERS传感器件，实现对生化分子的高重复性检测。以Hybrid nanoassembly with two-tier host-guest architecture and regioselective enrichment capacity for repetitive SERS detection为题发表在《Sensors and Actuators B: Chemical》杂志上，第一作者为为硕士研究生周美珍。
利用多孔材料，建立了纳米颗粒-纳米颗粒/待测物之间距离可控的区域选择性富集体系，实现了基于双级主客体结构的高重复性SERS检测。一方面，利用MPDA解决了“热点”/贵金属纳米颗粒和待测物分布不可控的问题；另一方面，利用多孔膜借助咖啡环效应解决了纳米传感器在支持基底上堆积不可控的问题。在这个过程中，验证了介孔内“热点”和待测物区域选择性富集的性能，阐明了纳米传感器在多孔膜上形成均匀咖啡环的机制，验证了双级主客体SERS检测器件对残留分析物与纳米颗粒的分离和渗透性能，探究了检测器件中的重复性、均匀性、稳定性、灵敏度和特异性。对纳米材料的可控调制和工程化设计具有重要科学价值，为设计和开发高重复性的SERS检测器件具有实践和应用意义。
【图文导读】
图1基于双级主客体结构和区域选择性富集效应的SERS传感器件构建示意图。
图2 MPDA和MPDA@Au NPs的合成和表征。MPDA NP的代表性TEM图像（a）。氮吸附等温线（b）和MPDA NPs的相应孔径分布（c）。以不同的HAuCl4/MPDA重量比合成的MPDA@Au NPs的TEM图像：0.8 (d)、1.6 (e)、2.4 (f)。制备的MPDA@Au NPs的HAADF-STEM 图像（g）和（h）对应的元素映射图像（红色：C；绿色：N；蓝色：O；黄色：Au）。 MPDA@Au NPs的XPS图谱(i)。
图3 MPDA@Au-SAM的研究。TEM图像（a）、HAADF-STEM图像（b）、相应的元素映射图像（c：Au；d：S；e：Au-S 叠加）和（f）元素信号分布的强度散点图（e），代表Au元素（红色）和S元素（蓝色）。XPS光谱(g)和S2p的高分辨率扫描(插图)。氮气吸附-脱附等温线（h）和孔径分布曲线（插图）。
图4 MPDA@Au-SAM的荧光猝灭和客体富集性能研究：MPDA (a)和MPDA@Au-SAM (b)不同浓度悬浮液的紫外-可见-近红外吸收光谱；纳米粒子在665 nm (c)处的消光系数；CV在水溶液中的荧光动力学和Au@SAM和MPDA@Au-SAM对CV的荧光猝灭动力学(d)；MPDA (e) 对ssDNA的ssDNA荧光动力学和荧光猝灭动力学；AuNPs和Au@SAM对ssDNA的荧光猝灭动力学（f）；MPDA@Au-SAM (g)对ssDNA 探针和DNA-miRNA异源双链体的荧光猝灭动力学。(h) CV和Cy5的激发和发射光谱。DNA-Cy5与Au@SAM和MPDA@Au-SAM NPs在玻璃板基底上测试未经基线校正而形成的拉曼光谱 (i)。
图5 不同支撑基底上CRP结构的形成。分散液的时间相关接触角图像及其相应的数字图像：NPS-玻璃板 (a)和PS-PVDF膜(c)。比例尺代表5 mm。在不同支撑基板上形成CRP期间接触角和润湿直径曲线的变化：NPS-玻璃板(b)和PS-PVDF膜(d)。通过优化分散体的体积和浓度形成CRP：体积（e）和浓度（g）；不同体积（f）和浓度（h）对应的外径和环宽变化曲线。NPS-玻璃板 (i)和PS-PVDF膜 (j) 上CRP过程的示意图。
图6 在PS-PVDF基板上形成的CRP的结构表征：原始PVDF膜在不同放大倍率下的SEM图像（a-c）；CRP (d) 的图像；内部CRP区域 (e-f)、CRP区域 (g-i) 和外部CRP区域 (j-l) 的SEM图像。
图7 PS-PVDF基底的检测重复性和客体分离能力评估：使用不同支持基底时的SERS mapping结果：NPS-载玻片 (a)、ULPS-滤纸(b)和 PS-PVDF膜(c)分别；积分时间为6 s。不同支撑基底上峰值强度的条形图：NPS-载玻片(d)、ULPS-滤纸 (e)和PS-PVDF膜(f)；积分时间为60 s。MPDA@Au-SAM PS-PVDF SERS器件上有机染料分布的数字图像（g），在共聚焦激光扫描显微镜图像下观察到的PVDF膜横截面中有机染料的分布（h），以及示意图SERS设备上SERS活性分析物的分离过程示意图 (i)。
图8 MPDA@Au-SAM PS-PVDF SERS装置的定量能力和灵敏度评估：Cy5、CV和MB分别不同浓度（1 pM - 100 nM）的SERS生物传感器的SERS光谱 (a-c)；拉曼峰强度与Log[C] (d-f) 的相应校准图；DNA-Cy5探针 (100 nM)和MPDA@Au-SAM在不同浓度的miRNA-21 (1 pM - 100 nM) 存在下的拉曼光谱 (g)；(h)拉曼强度在1359 cm-1处与miRNA浓度的线性关系；(i) SERS器件在miRNA-21 (100 pM) 的检测重现性。
【小结】
本论文利用孔效应富集和分离的潜力，成功构建了基于双级主客体组装策略的区域选择性富集表面增强拉曼散射(SERS)检测器件。该SERS器件解决了纳米颗粒-纳米颗粒/待测物之间距离不可控导致检测重复性差的问题。其中，介孔聚多巴胺(MPDA)利用孔道结构分隔排布贵金属，实现“热点”和待测物介孔内选择性富集；聚偏氟乙烯(PVDF)膜通过纳米颗粒在多孔膜表面的运输、堵塞和紧密堆积，组装成均匀的咖啡环。成功构建出双级主客体SERS检测器件，实现对生化分子的高重复性检测。
【原文链接】
https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132359