受控蒸发自组装三维高密度SERS热点超结构的原位SAXS研究

The number and efficiency of hotspots in noble metal nanostructures determine the performance of surface-enhanced Raman scattering (SERS) detection, which has become a bottleneck in the development of SERS technology. To solve the key scientific problems on the controllability and efficiency of three-dimensional (3D) high-density SERS hotspot superstructures, the controlled evaporation process of nanoparticle sols placed on different surface/interface will be in-situ investigated by means of the synchrotron radiation small angle X-ray scattering (SAXS) in Shanghai light source. This project aims to clarify the physical mechanism of non-equilibrium evaporation of nanoparticle sols and realize the controllable assembly of 3D high-density SERS hotspot superstructures. And this project also aims to reveal the mechanism of the targeted molecules entering into 3D SERS hotspots, establish the method for improving the efficiency of 3D hotspots by complex interactions within the sol evaporation process. Confined space templates will be used to develop new method and principle for constructing more complicated superstructures of 3D SERS hotspot. The expected results will improve the generality of different nanoparticle sols, promote the practicability of SERS technology, and provide new methods and new principles for developing new noble metal metamaterials in the fields of plasmonics and chemocatalysis.

贵金属纳米结构的表面增强拉曼散射(SERS)有效热点数量已成为SERS技术发展亟待突破的瓶颈。项目组前期发现溶胶蒸发可以构建三维且时间有序的SERS热点矩阵并提高待测分子进入效率，但是该超结构的可控演化仍然是一个巨大挑战。上海光源先进的同步辐射小角X射线散射(SAXS)技术可以提供纳米溶胶稠密粒子体系独特的结构信息。本项目拟利用原位SAXS技术研究贵金属纳米溶胶体系在不同表面/界面上的受控蒸发过程，阐明溶胶蒸发构筑三维热点超结构的物理规律；引入溶胶蒸发过程中实时SERS检测的理念，揭示超结构演化对SERS增强性能的影响机制，探索溶胶蒸发过程中复杂相互作用提高热点使用效率的新原理；发展特定花样的受限空间模板上构建三维SERS热点的新方法。预期成果将建立不同表面/界面上三维高密度SERS热点超结构的可控制备体系和实际使用范例，提高SERS活性纳米溶胶的通用性，推动SERS技术的实用化。

本项目主要研究合成了高单分散度的纳米颗粒，研究了纳米溶胶的稳定性和重复性，实现了非平衡过程中三维SERS热点的可控演化和液相界面的可逆组装。利用原位同步辐射SAXS技术，研究了贵金属纳米颗粒在液/液、液/气界面自组装过程，揭示了形成组装有序结构的规律机制。建立了SERS性能对应的组装结构的构建方法。研究了固/液、液/液界面上形成三维纳米颗粒超结构的机理，实现了水相、有机相或者两相界面上SERS热点超结构的可控调制。..在本项目支持下，项目负责人以通讯作者在Nature Commun.（1篇）、Anal. Chem.（3篇）、Chem. Mater.（2篇）、Chem. Commun.（1篇）、ACS Sens.（1篇）、Nanoscale（1篇）、ACS Appl. Bio Mater.（1篇）、Analyst（1篇）等杂志共发表科研论文11篇，受邀撰写专著章节1篇。其中3篇论文的期刊影响因子大于10的，9篇论文的期刊影响因子大于5。申请国家发明专利3项。获得国际/国内专业学术会议邀请报告3次。成功申报安徽省自然科学奖一等奖1项（排名4/5）。培养教授1名，副研究员1名，培养博士研究生已毕业1人、在读3人，培养硕士研究生已毕业6名、在读8人。..本项目预期指标全部实现，研究目标圆满完成。设计并合成不同性质的单分散性的贵金属纳米溶胶体系，阐明了非平衡自组装三维纳米结构的物理规律；揭示了待测分子进入三维SERS热点的原理机制，实现了液/液界面、液/气界面上复杂有序的三维SERS热点结构的可控制备；建立了不同表面/界面上三维高密度SERS热点结构的制备体系和使用范例。为三维高密度 SERS 热点结构的实用化检测提供一种通用的方法体系。