贵金属纳米颗粒自组装体结构、光学性质及其传感应用研究

This project will study the self-assembly of noble metal (gold and silver) nanoparticles, elaborate the self-assembly mechanism of binary nanoparticle systems, investigate the relationship between the structure and optical properties of the assemblies, and explore their applications in field of sensing. We will develop seeded-growth methods to prepare gold and silver nanoparticles with controllable morphology and size, and use organic molecules to selectively modify them to generate anisotropic forces, to achieve self-assembly of targeted structures. We will mainly develop methods to control the self-assembly structures of binary sphere-rod systems, and investigate the effects of morphology, size, materials and number of particles on the structure and optical properties of the assemblies. In situ transmission electron microscopy (TEM) will be used to measure the interactions between nanoparticles and to observe the dynamics of self-assembly process and structure of assemblies in real time. Furthermore, we will investigate the optical properties of the assemblies and actively explore their applications in chemical and biological sensing. This project will not only develop methods to control the self-assembly of nanosphere-nanorod binary systems, reveal the self-assembly mechanisms and pathway, but also establish the relationship between the micro-structure and macro-properties of the assemblies. This project will pave the way for achieving the functionality- and application-oriented controllable self- assembly of nanoparticles.

本项目将研究贵金属（金、银）纳米颗粒的自组装，阐述二元纳米颗粒体系的自组装机理，研究纳米颗粒组装体结构与光学性能之间的关系，探索组装体在传感器领域的应用。我们将发展种子生长法来制备形貌及大小可控的金、银纳米颗粒，应用有机分子对纳米颗粒进行选择性修饰以产生各向异性作用力，实现纳米颗粒的选择性自组装。我们将主要发展控制二元球-棒体系自组装结构的方法，研究体系单元组分的形貌、尺寸、材质、粒子组成数目等因素对组装体结构及其光学性能的影响。我们将应用原位透射电镜技术测量纳米颗粒之间作用力，直接观测纳米颗粒自组装的动态过程及结构。进一步，我们将研究自组装结构的光学性质，并积极探索其在化学、生物传感领域的应用。本项目不仅将发展控制纳米球-棒二元体系自组装的方法，揭示其自组装机理及路径，更将建立纳米颗粒自组装体的微观结构与宏观性能之间的关联，为实现以性能及应用为导向的纳米颗粒可控自组装奠定基础。

自组装体结构由于具有独特光学、力学、电学和催化等性能而在能源、环境、传感和催化等众多领域发挥重要作用。首先，受自然界中病毒个体衣壳状结构的启发，通过控制单宁酸溶液pH值合成了尺寸和表面粗糙度可控的衣壳状胶体金颗粒，并表征了它们的表面增强拉曼和催化等性能，在此基础上，我们设计了检测限低、选择性高的光学传感器检测谷胱甘肽分子。其次，应用种子生长法和双反相胶束法制备了尺寸和形貌可控的金纳米棒和疏水性金纳米颗粒，然后以这些颗粒为结构基元通过自组装的方法合成自组装体结构，如末端被选择性修饰的金纳米棒以“头碰头”的自组装方式形成金纳米棒链状结构，疏水性金纳米颗粒则通过气/液界面自组装制备了大面积二维金颗粒有序排列薄膜，并建立了自组装体结构与光学、力学性能之间的关系。进一步，我们应用原位透射电镜研究了不同尺寸金纳米颗粒在气/液界面共同组装过程时的行为动态和运动轨迹，阐明了疏水性二元纳米颗粒体系形成自组装体结构的机理。在此过程中，我们还实现了纳米液滴的原位制备和行为操控，指出了纳米液滴与宏观液滴的区别，提出了纳米液滴操控机制，并实现了纳米液滴在微反应容器和定向输运领域的应用价值。之后，我们通过共价链接的方法实现了PCP捕光蛋白在金微米片上有序组装，表征和分析了自组装体结构的荧光性能，阐述了PCP捕光蛋白荧光增强的机理，建立了自组装体微观结构与荧光性能之间的关联。我们还在此基础上设计了检测限低和选择性高的单颗粒荧光传感器检测Hg2+，实现了自组装体结构的传感应用。最后，我们在柔性组装材料的开发和应用领域也取得了进展。如单宁酸分子自组装形成纤维、棒状、梭型、椭球等自组装体结构。