中科院化学所宋延林研究员、苏萌副研究员团队 Matter：单纳米颗粒检测

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纳米颗粒、病毒、蛋白质等纳米尺度物体的可视化检测在自组装、纳米材料表征、化学合成以及生物医学诊断等领域具有重要应用价值，特别是新冠病毒大流行下，急需一种快速、居家、准确的检测手段。传统的光学显微镜由于衍射极限很难直接分辨200 nm以下的物体。荧光显微成像技术虽然分辨率高，适用于观察生物样品，但是需要复杂的荧光标记，且存在光漂白等问题，广泛应用受到限制。因此，开发简单、低成本、易操作的新型纳米光学检测方法具有重要意义。 近日，中科院化学研究所绿色印刷实验室宋延林研究员课题组和复旦大学石磊教授合作在《Matter》期刊上发表了题为“Self-assembled 1D nanostructures for direct nanoscale detection and biosensing”的论文（DOI: 10.1016/j.matt.2022.03.013）。论文第一作者是张泽英，共同第一作者是赵茂雄，通讯作者为宋延林研究员和苏萌副研究员，该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、北京市科委和北京分子科学国家研究中心的支持。研究团队利用纳米绿色印刷技术制备了在可见光区域具有独特光学共振响应的一维纳米结构，能够显著放大纳米尺度物体的光学信号，突破传统的光学衍射极限。当纳米物体结合在一维纳米结构上，利用传统的光学显微镜甚至手机可以直接看到单个小至50 nm的物体，实现了无标记、可视化地检测单个纳米颗粒、纳米缺陷等。进一步利用简单的表面修饰，该方法可应用于实时检测、计数测量生物体液环境中的病毒颗粒，在超灵敏病原体检测方面具有很大优势。相比于以往报道的纳米尺度光学检测方法，该方法操作简单、成本低、可便携，且广泛适用于多种纳米材料，在重多领域具有广泛的应用前景。 
图1 基于一维纳米结构实现无标记、可视化检测单个纳米颗粒的原理。(A)印刷制备一维纳米结构的示意图。(B)利用一维纳米结构检测单个纳米尺度物体的示意图。(C)光学实验装置图。内插图显示纳米尺度物体的光学信号可以通过与一维纳米结构的散射光相互作用而被放大。(D)对比一维纳米结构结合病毒颗粒前后的SEM图像以及散射光谱。 
图2 大面积制备一维纳米结构阵列及其光学特性研究。(A，B)制备一维纳米结构的最优实验条件。(C)不同尺寸(直径d = 180 nm、220 nm、280 nm、310 nm、360 nm)的一维纳米结构的SEM图像。(D)对应的暗场光学图。(E)测量的一维纳米结构的角分辨光谱。随着纳米颗粒尺寸增大，光谱上方出现一个新的衍射峰。(F)理论计算的一维纳米棒的角分辨光谱。纳米棒的直径(d’)和折射率与印刷制备的一维纳米结构一致。 图3 单个纳米颗粒的可视化检测。(A)在一维纳米结构中掺杂其它尺寸的纳米颗粒后的SEM图像和光学图像。(B)对应的散射光谱。(C)检测单个不同尺寸的聚苯乙烯纳米颗粒。SEM图像显示了聚苯乙烯纳米颗粒在一维纳米结构上的位置。模拟的电场分布图表明引入单个纳米颗粒会产生显著的近场增强。(D)对应的散射光谱。 
图4 无标记检测单个病毒。(A) SARS-CoV-2病毒模型的尺寸分布直方图。(B)单个病毒模型结合在一维纳米结构上的SEM图像和光学图像。(C)对比一维纳米结构结合病毒模型前后的散射光谱。(D)实现病毒模型的计数。 
图5 快速检测不同的病毒样本。(A)利用一维纳米结构检测血清中病毒颗粒的示意图。(B)验证病毒检测的特异性。(C)探究孵育时间对一维纳米结构光信号的影响。(D)超灵敏定量检测病毒载量。内插图为对应的光学图像和模拟的电场分布图。(E)一维纳米结构结合不同病毒后的散射光谱。 原文链接https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.03.013

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