纵向金属/电介质/金属结构超材料构筑、SERS效应及对生物分子痕量检测

Detection of high-sensitive SERS signals of biomolecules is of great significance for the research of disease pathogenesis and clinical medical diagnosis. Although the SERS substrate prepared by the top-down method can meet the repeatability and uniformity requirements of biomolecule detection, the application of biomolecule SERS detection is limited because it is difficult to fabricate nano-scale transverse “gap” required for high-sensitive SERS substrate due to the limitation of resolution of the instrument. This project will convert the transverse "gap" into the vertical "gap" which can be precisely controlled by atomic stratification technique using vertical metal/dielectric/metal metamaterials, so as to obtain a highly sensitive SERS substrate which can be easily fabricated in the top-down mode. We will study the manipulation of electromagnetic field in the micro-nano structure to construct the "hot spot" with extreme enhancement of electromagnetic field; we will establish the physical model of SERS enhancement based on vertical "gap" to reveal the mechanism of SERS enhancement in metamaterials; we will realize the trace detection and analysis of biomolecules (taking hemoglobin as an example) based on the SERS effect of the constructed metamaterials. This project provides a new idea for the preparation of SERS substrates with high sensitivity, and has important academic value. It also opens up a new way for the application of SERS signal detection in clinical diagnosis.

生物分子高灵敏SERS信号检测对于疾病产生机制研究和临床医学诊断都具有十分重要意义。基于自上而下方式制备的SERS基底能够满足生物分子检测所需的重复性和均匀性要求，但由于仪器分辨率限制，自上而下模式难以在横向上制备高灵敏SERS基底所需的纳米级“间隙”，从而限制了SERS检测在生物医学中的应用。本项目拟利用纵向金属/电介质/金属结构超材料将横向“间隙”转换成可采用原子层沉积方法精细控制的纵向“间隙”，从而获得自上而下模式易于制备的高灵敏SERS活性基底；研究微纳结构电磁场调控规律，构建电磁场极大增强的“热点”；建立基于纵向“间隙”SERS增强物理模型，揭示超材料SERS增强机制；基于所构筑超材料的SERS效应，实现对生物分子（以血红蛋白分子为例）的痕量检测分析。本项目为高灵敏生物分子SERS活性基底制备提供全新的思路，具有重要的学术价值，还为SERS检测应用于临床诊断开辟了新途径。

SERS活性基底的制备途径可分为两种方式，即：“自下而上”与“自上而下”。“自下而上”方法是指从原子或分子出发来控制、组装、反应生成各种纳米结构。基于这种方式国内外课题组已制备了多种形貌金属纳米结构，利用SERS信号实现了对生物分子快速痕量检测。 “自上而下”纳米结构制备方式主要有光学光刻、电子束光刻、聚焦离子束直写等。“自上而下”方式构筑的金属微纳结构具有高均匀性、重复性的优点，是生物分子SERS活性基底从实验室走向临床应用的基础，迄今已有多种基于“自上而下”模式制备SERS活性基底的报道。但是光刻的分辨率限制，难以在材料横向上制备“间隙”以获得SERS信号极大增强的“hot spot”，因此，必须寻找新思路发展基于“自上而下”模式新型高灵敏SERS活性基底，在满足高均匀性、重复性的基础上，可控构筑“间隙”，获得高灵敏SERS基底。.本项目提出利用纵向结构超材料实现SERS效应高灵敏检测，将传统横向上构筑“间隙”方式转换成纵向上构筑“间隙”，一方面可获得新型SERS信号极大增强所需的“hot spot”，另一方面，极大的降低了微结构图形对“自上而下”制备方式的要求。通过本项目研究，利用镀膜工艺以及光刻工艺，自上而下方式制备了高灵敏SERS活性基底，建立了自上而下模式构建SERS基底制备方法；测试了超材料活性基底的反射式LSPR光谱以及其SERS活性，确定了LSPR与SERS活性关联特性；获得了超材料 “hot spot” 理论和实验构建方法；发表SCI论文9篇。本项目是利用镀膜和光刻工艺，自上而下模式构建高灵敏活性基底，解决SERS基底制备过程中一致性问题；另一方面，利用超材料实现高灵敏SERS活性基底，为构建SERS活性基底提供了新手段和新思路。