限域调控的金纳米粒子一维组装制造及其生物分子检测应用

The one-dimensional (1D) self-assemblies of noble metal nanoparticles has unique electron transport behaviors and optical coupling properties, and the nano-optics and nano-electronics devices based on the 1D self-assemblies have great potential in application for sensing and optoelectronic communication and so on. At present, the 1D self-assembly of nanoparticles is mainly based on self-assembly in aqueous, but this method is still in the research stage. From the fabrication view point, to form the 1D self-assemblies at the specific location on the devices will greatly simplify the fabrication process. Therefore, to study the 1D self-assembly of nanoparticles in a micro/nano scale region has an important theoretical value and pratical meaning for fabrication the integrated optical and electronic nanodevices. This study presents a method of transforming the AuNPs immobilized in nanoconfined region into one-dimensional assemblies. To control the length and morphology of 1D assemblies of gold nanoparticles by investigating the mechanism of the constrained regions induced one-dimensional self-assembly of the nanoparticles; To control the inter-particle distance in 1D assemblies by regulating the interactions of nanoparticles.; To realize the 1D chain-like assembly on several kinds of substrates by chemical modification strategies towards the substrates; To investigate the optics and electronics properties of 1D assemblies of gold nanoparticles and to do biomolecules dections. This technique for 1D assemblies developed by our study can be applied not only for planar substrates but for other non-regular micro/nano scale regions in nanodevices.

贵金属纳米粒子一维组装体具有特殊的电子传输和光学耦合特性，以此为核心的纳米光电子器件在传感、光电通讯等方面有巨大应用潜力。目前纳米粒子一维自组装研究主要以液相自组装为主，但从器件制作角度来讲，直接在器件核心区域内形成纳米粒子一维组装体更简便高效，因此，研究在器件微纳核心区域内直接形成一维组装体的方法对集成纳米光电器件的制作具有重要意义。本项目提出一种基于限域结构调控的金纳米粒子一维自组装方法，通过研究微纳限域结构对纳米粒子一维自组装的影响机制来控制一维组装体的长度、形貌；通过表面修饰调节纳米粒子相互作用力，从而控制组装体中粒子间距；通过研究基底材料特性对纳米粒子自组装的影响机制，找出对多种基底材料进行化学修饰的通用方法，实现在多种基底材料上一维自组装；研究金纳米粒子一维组装体的光学和电学特性，并进行生物分子的检测研究。此方法不仅适用于平面基底，还可用于非常规微纳区域内纳米粒子的一维自组装。

基于纳米粒子的一维组装体结构是一种非常独特的纳米材料，它不仅具有纳米材料的量子尺寸效应、表面效应等特点，而且还存在由纳米结构组合引起的新的效应，如贵金属纳米粒子的一维组装体纳米结构具有非线性电子传输特性和光波导特性，可用于纳米电子学器件与纳米光子学器件。目前，有关纳米粒子的一维自组装的研究大都是在液相中进行，在实际应用时还要将液相中形成的一维组装体精确转移到固相基底特定区域上。相比之下，直接在固相载体特定区域内形成一维组装体将大大简化制造过程。本项目通过纳米加工技术与自组装技术的结合，探索在微纳尺度区域内形成金纳米粒子一维组装体的新方法。通过NaBH4诱导纳米模板内固定的纳米粒子，形成了长度为200纳米的一维组装体；通过挥发诱导自组装的方法，形成了形貌可控的一维组装体，长度可达1微米的一维组装体；通过纳米粒子单层面膜与纳米加工方法结合，可以形成任意形貌的纳米粒子一维组装体，并可控制纳米粒子之间的间距，一维组装体可达20微米，纳米粒子间距可以控制在10纳米；通过研究纳米粒子一维组装体的光学特性研究，发现其对周围环境的介电常数有较灵敏的响应，并且实现了对牛血清白蛋白的传感检测。本项目的相关研究工作为微纳光电器件的制造提供新的技术手段，在纳米生物传感器的研发方便具有较大潜力，对发展新型纳米生物传感技术，推进纳米技术的广泛应用具有重要意义。