基于金纳米棒-氧化铝纳米平台的光合色素增强检测技术及其在环境监测中的应用

本研究针对光合色素检测灵敏度不足的问题，开发了一种基于金纳米棒（Au-NRs）和氧化铝（Al2O3）间隔层的纳米平台，通过局域表面等离子体共振（LSPR）增强叶绿素a（Chla）的荧光信号。研究发现10 nm Al2O3间隔层可实现最优增强效果，检测限低至8.3×10-4 μg/L，为环境监测和生物传感提供了新策略。

　　

光合作用是地球生命赖以生存的基础过程，而叶绿素a（Chla）作为核心光合色素，其检测灵敏度直接关系到水体生态监测的准确性。然而，传统荧光检测技术面临环境干扰大、检测限高等瓶颈。商业传感器易受温度、浊度和杂散光影响，且难以检测低浓度样本。更棘手的是，不同光合色素的吸收峰分布在400-700 nm和近红外区域，亟需开发兼具广谱响应和高灵敏度的检测平台。

针对这些挑战，研究人员设计了一种创新性的纳米平台：通过将金纳米棒（Au-NRs）与氧化铝（Al₂O₃）间隔层结合，利用局域表面等离子体共振（LSPR）效应增强色素荧光信号。该研究采用原子层沉积（ALD）技术精确控制Al₂O₃厚度（5-25 nm），通过朗缪尔-谢弗（LS）技术构建有序单分子层，并运用共聚焦显微镜和荧光寿命成像（FLIM）系统评估性能。

材料与方法
研究团队首先合成CTAB稳定的Au-NRs，通过配体交换引入promesogenic/十二硫醇（DDT）实现疏水功能化。关键步骤包括：ALD沉积Al₂O₃间隔层（295°C下TMA/臭氧循环）、LS法转移Au-NRs单层（29 mN/m表面压力）、Chla的LS沉积（19 mN/m）。采用Zeiss LSM 710共聚焦显微镜（633 nm激发）和Leica STED系统（640 nm皮秒激光）分别进行荧光强度与寿命检测。

结果与讨论
表面压力分析与纳米结构表征
π-A等温线显示Au-NRs单层在29 mN/m出现最大压缩模量（C_s^-1），对应扩展液态相。TEM显示功能化Au-NRs尺寸为35.0±3.0×14.1±1.6 nm，紫外光谱显示纵向LSPR峰从溶液态的767 nm红移至基底的813 nm，表明纳米棒间存在强等离子体耦合。

距离依赖的荧光增强
当Al₂O₃厚度为10 nm时获得最佳增强效果：荧光强度提升3倍，同时荧光寿命（τ_m）从218 ps缩短至102 ps。这种"增强-猝灭"转变证实了等离子体近场效应与F?rster能量转移的协同作用。共聚焦图像显示荧光信号仅出现在Au-NRs聚集区域，验证了"热点"效应的空间局限性。

检测性能评估
平台对Chla的检测线性范围跨越5个数量级（10^-12-10^-7 M），检测限低至0.89 ng/L，较传统荧光法提升2个数量级。值得注意的是，该系统的LSPR宽带特性（>750 nm）使其可适配多种光合色素，如叶绿素d和细菌叶绿素。

结论与展望
这项研究开创性地将ALD精确沉积与LS薄膜技术结合，解决了等离子体增强荧光中距离控制的难题。10 nm Al₂O₃间隔层的优化设计，既避免了荧光猝灭（<5 nm），又最大化利用了近场增强效应。该平台的实际意义体现在：

1. 环境监测：可实时检测水体中痕量浮游植物
2. 生物传感：为光合膜蛋白研究提供新工具
3. 光电器件：助力人工光合系统的效率提升
   未来研究将聚焦于复杂基质（如海水）中的抗干扰测试，以及近红外波段其他光合色素的检测验证。论文发表于《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》，为跨学科研究提供了范本。