基于等离子体纳米孔的光谱-电化学多参数传感新方法的研究

Nanopore-based analytical techniques have received widely attention in the field of biological analysis and sensing such as single molecule detection. The conventional method based on nanopore only detect ionic current, which cannot be applied to the fine structure analysis of analyte. With controllable mass transfer and special optical properties, plasmonic nanopores may be applied as a nanodevice and possibly create a new generation of single molecule detection technique based on plasmon-enhanced spectra. In this project, metal nanoparticles with different morphologies will be prepared, and nanoparticles could be self-assembled into controllable plasmonic nanopore on the tip of a glass nanopipette by different ways. The effect of the plasmonic nanopore structure and its recognition reaction on the Raman enhancement and electrochemical signals (current or potential) will be revealed. Through monitoring the dynamic process of electric field driven molecules through plasmonic hot spots using surface enhancement Raman scattering (SERS) analysis, the influence of the applied voltage, enrichment time and molecular concentration on the detection could be revealed. Under optimized conditions, a multi-parameter nanopipette Raman spectral-electrochemical sensor with high performance will be constructed and a novel sensing method for combining nanopipette with SERS and electrochemistry will be developed. This proof-of-concept study will provide theoretical and practical basis for the detection of DNA and protein even single molecule detection.

纳米孔技术在单分子检测等生物分析与传感领域受到了广泛的关注。传统的纳米孔技术仅基于离子电流的检测，难以应用于分析物的精细结构探测；而等离子体纳米孔具有优良的分子操控性和光学特性，将其作为纳米器件，有望发展基于等离子体增强光谱的新一代单分子检测技术。本项目拟制备不同形貌的金属纳米粒子，将其在纳米毛细管尖端通过不同的方式进行组装，制备可控的等离子体纳米孔；探索等离子体纳米孔结构及其识别反应对拉曼增强光谱和电化学信号（电流、电压）的作用规律，以及电场驱动下分子穿过等离子体热点的动态过程；研究施加电压、富集时间以及待测分子浓度等因素对检测的影响；构建高性能的纳米毛细管拉曼光谱-电化学的多参数传感器件，发展一种将纳米毛细管与拉曼增强光谱、电化学结合的新型传感方法，为实现DNA、蛋白质精细结构的检测乃至单分子检测提供理论依据和实践基础。

纳米孔技术在单分子检测等生物分析与传感领域受到了广泛的关注。传统的纳米孔技术仅基于离子电流的检测，难以应用于分析物的精细结构探测；而等离子体纳米孔具有优良的分子操控性和光学特性，将其作为纳米器件，有望发展基于等离子体增强光谱的新一代单分子检测技术。本项目我们制备了金纳米颗粒、金纳米棒、金/银三角纳米片和金纳米星，以及开口孔径为150 nm、100 nm和20 nm的纳米毛细管。基于纳米毛细管尖端通过不同的连接分子（二巯基ATP适体、全巯基环糊精、1, 9-壬二硫醇）与金纳米粒子（三角片、颗粒）自组装构建了可控的等离子体纳米多孔结构，分别记为ATP-GPS、CD-GPS和C9-GPS。此类结构内存在大量的热点，具有很强的离子整流效应和表面增强拉曼散射（SERS）活性，基于此，我们将SERS和电化学联用，通过电化学施加电压操控分子，结合SERS光谱检测分析物和观察物质的输运行为。结果表明，基于ATP适体与ATP分子间的特异性识别作用，ATP-GPS能够成功检测溶液中10-7 M的ATP；C9-GPS可实时监测对巯基苯甲腈（4-Mbn）和对氨基苯甲腈（4-Abn）的输运。基于纳米毛细管尖端通过原位单层组装银三角纳米片制备了银等离子体纳米单孔结构，该结构具有显著的离子整流效应和SERS活性，被成功地用于检测罗丹明6G（R6G）的输运和四种DNA碱基的识别。由此，我们探索了等离子体纳米孔结构及其识别反应对拉曼增强光谱和电化学信号的作用规律，以及电场驱动下分子穿过等离子体热点的动态过程，构建了高性能的纳米毛细管拉曼光谱-电化学的多参数传感器件，发展了一种将纳米毛细管与拉曼增强光谱、电化学结合的新型传感方法，为实现DNA、蛋白质精细结构的检测乃至单分子检测提供理论依据和实践基础。