通过高折射率纳米金刚石-等离子体金冷冻吸附纳米组装技术制备的集成金属-介质3D热点结构，用于增强光子晶体的荧光性能

《Advanced Functional Materials》：Integrated Metallo-Dielectric 3D Hotspots From High Refractive Index Nanodiamond-Plasmonic Gold Cryosoret Nano-Assemblies for Photonic Crystal Enhanced Fluorescence

通过冷冻组装技术将金纳米颗粒与高折射率纳米金刚石复合形成AuNDCS纳米组装体，并集成于光子晶体基底，显著增强了荧光信号的激发与发射效率。实验表明，AuNDCS在光子晶体表面实现了电场和磁场双重共振增强，荧光强度较传统体系提升670倍，检测限达飞摩尔级，为无标记生物传感提供了紧凑、低成本解决方案。

　　近年来，随着纳米光子学和等离子体技术的迅速发展，研究者们在点对点诊断技术领域取得了显著进展。传统的荧光报告系统在使用金属纳米颗粒（如金纳米颗粒，AuNPs）时，常常面临“非活性区”（<5 nm）表面淬灭的问题，这在一定程度上限制了其在高灵敏度生物传感中的应用。为了解决这一难题，研究团队提出了一种创新的策略，即将高折射率（HRI）的荧光纳米金刚石（NDs）与金属-介质纳米组装结构结合，从而在纳米尺度上实现对光场的增强和调控。这一方法不仅有效克服了传统荧光报告系统的局限性，还为构建紧凑、低成本的生物传感设备提供了新的思路。

在本研究中，研究者们利用一种称为“adiabatic cooling”（绝热冷却）的纳米组装技术，合成了一种名为AuNDCS（金纳米金刚石冷凝组装体）的纳米复合结构。这种技术通过将纳米颗粒溶液快速冷却至液氮温度（?196 °C），在纳米颗粒之间形成稳定的纳米间隙，从而激发纳米级的电磁场增强效应。AuNDCS不仅具备高折射率介质的特性，还通过与等离子体纳米颗粒的协同作用，实现了对荧光发射的显著增强。实验结果显示，当AuNDCS与光子晶体（PC）结合时，其荧光增强效果高达600倍以上，这一现象被归因于光子晶体中辐射引导模式共振（radiating guided mode resonance, GMR）与纳米结构中产生的强电场和磁场热点的相互作用。

为了验证这一现象，研究团队采用了COMSOL Multiphysics软件对多种纳米结构（包括单体、二聚体、三聚体和四聚体）进行了模拟，进一步揭示了电场和磁场在纳米间隙中的分布规律。这些模拟不仅帮助理解纳米结构如何增强光场，还为实验结果提供了理论支持。此外，通过实验与模拟的结合，研究者们发现AuNDCS在纳米结构中能够形成多级热点，这种结构在生物传感中具有极大的应用潜力。尤其是在检测癌症特异性生物标志物——微小RNA（micro-RNA-375）时，AuNDCS展现出的超高灵敏度（可检测至飞摩尔级别）使得其成为一种极具前景的分子标记物。

值得一提的是，本研究开发的光子晶体增强荧光（PCEF）系统具有显著的优势。与传统的荧光检测设备不同，该系统无需使用棱镜、物镜或低温光电探测器，从而降低了设备的复杂性和成本。这一特性使其特别适用于远离传统诊断实验室的现场检测环境，如基层医疗或野外作业。同时，该系统的高灵敏度和高光子模式密度（photonic mode density, PMD）也使其在生物传感中表现出优异的性能。通过光子晶体的引导作用，AuNDCS能够更有效地将光子从纳米结构中耦合至探测器，从而提高了信号的采集效率。

研究还探讨了纳米结构在不同极化状态下的行为。在光子晶体表面，当光波以TE（横电）或TM（横磁）模式入射时，纳米结构会分别激发不同的电场和磁场分布。例如，在TE极化情况下，纳米间隙中的电场增强显著，而TM极化则能够进一步激发磁场热点。这种现象在光子晶体的模拟和实验数据中得到了验证，说明了纳米结构与光子晶体之间的协同作用。通过在纳米结构中引入高折射率介质（如纳米金刚石），能够有效抑制金属纳米颗粒的表面淬灭效应，同时提升光子晶体对光场的调控能力。

此外，研究还强调了纳米结构在生物传感中的实际应用潜力。在实验中，研究人员通过设计一种基于纳米金刚石和AuNDCS的传感策略，成功实现了对微小RNA-375的高灵敏度检测。该方法利用了纳米金刚石中的氮空位（NV?）中心，这些中心在纳米尺度上能够产生稳定的荧光发射。与传统的荧光分子（如罗丹明B）相比，纳米金刚石具有更高的光稳定性和更低的淬灭效应，这使得其在生物传感中的应用更具优势。通过结合光子晶体的共振特性，纳米金刚石的荧光信号被进一步放大，从而实现了更精确的检测。

为了进一步验证纳米结构的性能，研究者们还对不同浓度的微小RNA-375进行了实验检测。结果显示，当使用AuNDCS作为荧光标记物时，检测限（LOD）可以达到10飞摩尔（fM）级别，而使用纳米金刚石（ND）作为标记物时，检测限为10皮摩尔（pM）。这一显著的性能提升归因于AuNDCS在纳米间隙中形成的多重热点效应，以及其与光子晶体之间的高效耦合。同时，通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）的表征，研究人员确认了AuNDCS在光子晶体表面的结构稳定性和均匀分布，这为其实用性提供了坚实的理论和实验支持。

本研究的创新之处在于将纳米金刚石的荧光特性与等离子体纳米颗粒的光场增强效应相结合，形成了一种新型的纳米复合结构。这种结构不仅能够有效提升荧光信号的强度，还能够通过光子晶体的调控作用，实现对光子的定向发射和高效收集。此外，研究还提出了利用纳米金刚石中的不同缺陷类型（如NV?、SiV、GeV中心）来实现多色荧光输出，从而拓展了该平台在多重生物标志物检测中的应用范围。通过这种策略，研究者们能够设计出具有特定光谱响应的纳米结构，为未来的多路复用（multiplexing）生物传感技术打下基础。

在实际应用方面，研究团队还考虑了如何优化纳米结构的合成工艺，以提高其在生物传感中的稳定性和可重复性。例如，通过调整绝热冷却的时间，可以控制纳米颗粒在纳米金刚石上的分布密度，从而实现对荧光增强效果的精确调控。同时，通过引入缓冲液（如TE缓冲液和Tween-20）和共价键合策略，研究人员成功抑制了非特异性结合，提高了检测的准确性。这些方法不仅适用于当前的AuNDCS结构，也为未来设计更复杂的纳米组装体提供了参考。

此外，研究还关注了纳米结构在不同环境下的表现。例如，在光子晶体与纳米金刚石的耦合体系中，纳米结构能够有效减少荧光寿命，从而提升光子密度和信号强度。而这一现象在传统荧光分子中并不存在，说明纳米金刚石与等离子体纳米颗粒的协同作用能够显著改善生物传感的性能。通过这一机制，研究人员不仅能够实现对微小RNA的高灵敏度检测，还能够将该技术扩展至其他生物标志物的检测中，为个性化医疗和精准诊断提供了新的工具。

综上所述，本研究通过创新的纳米组装方法，成功构建了一种兼具高荧光增强效果和结构稳定性的纳米复合体系。该体系在生物传感领域展现出巨大的潜力，尤其是在癌症标志物检测方面，其检测限和信号强度均优于传统方法。未来，随着高折射率介质和低损耗等离子体材料的发展，这种纳米复合结构有望进一步拓展其应用范围，为纳米光子学和生物传感技术的融合提供新的方向。