以人为本 服务至上 科学管理 勤政高效

国家纳米中心丁宝全课题组自组装金属等离子体纳米结构研究取得进展

  

  自组装贵金属纳米结构在光学检测器件中有重要的应用,如表面增强荧光散射、表面增强拉曼光谱和非线性光学等。如何能在纳米尺度上对贵金属纳米结构进行精确的控制,是具有挑战性的前沿课题之一。近年发展起来的DNA折纸术是一种独特的自下而上的自组装纳米技术,被用于制备多种尺寸、形貌的二维和三维纳米图案。DNA折纸纳米结构由于结构可设计性和空间寻址能力,在精确引导金属纳米粒子自组装形成可调控性能方面具有显著的优势。 

  2012年以来,国家纳米科学中心丁宝全课题组在利用DNA折纸结构作为模板构建三维的贵金属纳米结构以及其手性光学性质方面做创新性研究(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 146; Nano Lett., 2013, 13, 2128; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 5495)。在构建刺激响应性的金属纳米结构和三维可重构的金属纳米结构方面也有重要进展(Nano Lett., 2017, 17, 7125ACS Nano, 2017, 11, 1172)。在最近发表的研究工作中,丁宝全研究组针对金蝴蝶结纳米天线(Bowtie nanoantenna)光学性质,首次利用DNA折纸技术作为模板构建了大约5nm间距的金蝴蝶结纳米天线,并且利用DNA折纸结构的可寻址性,在蝴蝶结纳米天线的中间可控的放置了一个拉曼探针分子,实现了单结构、单分子的拉曼增强。该研究成果以题为“DNA Origami Directed Assembly of Gold Bowtie Nanoantennas for Single Molecule Surface-Enhanced Raman Scattering”Angew. Chem. Int. Ed.杂志在线发表(2018, DOI: 10.1002/anie.201712749)。 

  金的蝴蝶结纳米天线应用在光信号处理及超灵敏传感等研究已经被广泛的报道。但是之前的研究工作中所有的金属蝴蝶结结构的构建都是使用的微加工相关方法,而使用组装的方式来构建bowtie结构还从未有过报道。金三棱片(gold nanoprism)是典型的二维金属纳米结构,可在尖端产生很强的局域表面等离激元,基于两个金三棱柱构建的蝴蝶结天线会在二者尖端区域产生非常强的电磁场增强,这种增强效应在光学检测有很重要的应用。以DNA折纸结构为模板精确组装二维金属纳米结构尚属首次报导。与传统的单分子拉曼增强方法相比,这种策略的优越性在于可以精确控制拉曼探针分子的位置以及数量,从而实现可控的高强度的拉曼增强。这种组装体系有望作为一种单分子反应的检测器:通过监测拉曼信号变化,实现监测单个分子的反应进程。利用这种方法构建的蝴蝶结纳米天线,将可以与多种光学元件进行共组装为构建自组装的光学器件提供新的思路。该制备方法已申请中国发明专利。 

  该研究得到了国家自然基金委和中科院前沿科学重点研究计划等项目的支持。 

  a)DNA折纸结构模板组装金属bowtie结构示意图;b)金bowtie结构的原子力显微镜图和电镜图;c)单分子拉曼图谱