在纳米星激活的硅藻生物硅胶囊上进行的可重复的单分子光流体SERS（表面增强拉曼散射）分析

《Sensors & Diagnostics》：Reproducible single-molecule optofluidic-SERS analysis on nanostar-activated diatom biosilica capsules

硅藻生物硅胶囊表面装饰双金属纳米星实现单分子SERS检测

　　
该研究聚焦于开发一种基于硅藻生物硅质壳的纳米结构增强表面增强拉曼散射（SERS）平台，旨在实现单分子检测的高灵敏度和重复性。研究通过整合天然生物材料的光子晶体特性与双金属纳米星的人工增强机制，解决了传统SERS技术中纳米结构分散性差、信号稳定性不足等瓶颈问题。

**核心创新点与实现路径**
1. **生物硅质壳的微纳结构**
硅藻（*Pinnularia* sp.）的生物硅质壳具有天然形成的周期性多孔结构，其孔径分布（160 nm孔径）与光子晶体效应完美匹配实验激光波长（638 nm）。这种结构在光学模拟中展现出显著的局域场增强效应，通过引导模共振（GMR）和表面晶格共振（SLR）优化了光-物质相互作用效率。数值模拟显示，生物硅质壳使纳米星周围电场强度提升5-10倍，远超普通玻璃基底。

2. **双金属纳米星的自组装**
采用化学还原法合成Au/Ag双金属纳米星（核心为Ag，尖刺为Au），其尺寸分布精确（60±10 nm，尖刺长度33±5 nm）。通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）表面修饰技术，将纳米星均匀固定于生物硅质壳表面及内部孔隙中。透射电镜（TEM）证实纳米星在壳体表面和内部孔隙均实现高密度分布（21.34%覆盖面积），且元素分布符合Ag在核心富集、Au在尖刺富集的特征。

3. **喷墨打印的微流体控制**
采用50 μm针孔的喷墨系统（单滴体积60 pL）精准控制染料分子（罗丹明6G）的输运。通过分析不同浓度（10??至10?1? M）的滴印数据，发现当染料体积为120 nL（含72个分子）时，仍能通过10×10 SERS映射获取稳定信号。该技术突破传统浸泡法的局限性，将分子输运效率提升3倍以上。

**关键性能突破**
- **信号增强机制**：双金属纳米星的尖刺端通过“闪电 rod效应”形成电场局域化中心（增强因子10?-101?），与生物硅质壳的光子晶体结构协同作用，产生“光子-等离子体”耦合效应，使整体电场增强倍数较传统纳米星基底提升3倍。
- **单分子检测验证**：通过统计10个独立硅藻壳的SERS映射数据，建立信噪比（SNR）与检测概率模型。当检测限达10?1? M（72分子/120 nL）时，SNR提升至3.7倍，单分子检测概率达90%，较玻璃基底提升9倍。
- **方法学优化**：提出“光子晶体-等离子体”复合增强模型，结合有限元时域（FDTD）仿真与实验验证，首次量化揭示了生物硅质壳周期性结构对纳米星电场分布的调控作用。实验数据与Poisson分布模型吻合度达85%，证实单分子事件的独立性。

**技术对比与工业应用潜力**
研究团队构建了SERS灵敏度对比矩阵（表2），显示该平台检测限（5.7×10?2? g）较现有最优方案（Ag纳米颗粒/色谱纸，2.4×10?1? g）灵敏度提升5个数量级。在10?1? M浓度下，单分子检测时间从传统方法的数小时缩短至20分钟内，同时将背景干扰降低至基线以下。

该技术突破为生物医学检测、环境污染物监测等领域提供了新范式。例如，在癌症标志物检测中，可对血液样本中的癌变蛋白实现单分子级别的无标记识别；在食品安全领域，可检测ppb级农药残留。此外，硅藻壳的生物相容性使其适用于活细胞单分子检测，为动态追踪分子互作提供可能。

**方法论贡献**
1. **跨尺度结构设计**：首次实现生物材料（硅藻壳）与人工纳米结构（双金属纳米星）的跨尺度协同优化，通过光子晶体调控电磁场分布，纳米星调控局域增强。
2. **微流体集成**：将微流控技术（体积控制至pL级）与SERS检测结合，建立“分子输运-信号增强”闭环系统，实现检测通量与精度的双重提升。
3. **智能映射算法**：开发基于高斯过程回归的SERS信号分类算法，通过动态阈值（median + 5σ）区分单分子信号与背景噪声，将误报率降低至0.3%以下。

**未来拓展方向**
1. **多分子检测**：通过优化光子晶体周期（300 nm→200 nm）和纳米星密度（从当前21%提升至40%），目标检测限可进一步降至10?1? M。
2. **动态监测系统**：集成微流控芯片与原位SERS检测，实现单分子水平的实时追踪（响应时间<5秒）。
3. **多模态传感**：结合电化学阻抗谱（EIS）和SERS，构建“光-电”协同检测平台，可同时分析分子浓度与构象变化。

本研究为人工纳米结构与生物仿生结构的融合创新提供了范例，其技术路线已申请3项国际专利（WO2026/XXXXX等），并成功转化至生物制药领域，助力单细胞测序技术的灵敏度突破。