（方国强/文图）近日，哈工大航天学院/郑州研究院光子传感研究团队与大连民族大学相关团队合作，设计并制备了一种三维Au@Ag-Au多孔纳米框架（PPF）等离子体结构，并应用于气体中苯甲醛的定量检测。三维Au@Ag-Au多孔纳米框架（PPF）等离子体结构不仅有助于形成更丰富的局部电场分布模式，且独特的三维形态和开放的内部空间允许分析物的高效运输，从而增加了在气相中检测到低浓度分子的可能性。该研究工作以《应用多孔纳米框架的高密度热点等离子体结构进行气态苯甲醛的定量检测》（Porous Nanoframe Based Plasmonic Structure With High-Density Hotspots for the Quantitative Detection of Gaseous Benzaldehyde）为题发表在国际纳米材料权威期刊《Small》（影响因子：13）上，以下为该论文详细情况：
【研究背景】
肺癌是世界范围内最常见的恶性肿瘤之一，早期通常没有明显症状，导致大多数病人在出现症状再就医时已进入中晚期，这使得肺癌成为所有恶性肿瘤中死亡率最高的癌症。医院通常利用胸部低剂量计算机断层扫描监测早期肺癌病变的发生，然而，这种仪器通常需要专门的设备和经验丰富的从业人员来操作和解释。因此，利用低风险和智能的诊断工具来早期识别肺癌具有重要意义。人类呼出气体醛是早期肺部恶性肿瘤的典型生物标志物，在肺癌的早期辅助筛查和诊断方面具有极大的可挖掘性。表面增强拉曼散射（SERS）由于其快速无损、灵敏度高的技术特点，在从呼出气体中检测醛类物质方面具有巨大的潜力。然而，大多数气态醛的拉曼光谱信号较弱，如何使目标物吸附在SERS热点上，并适应不同干扰环境下的检测成为最大问题。
【研究概述】
在这项研究中，团队设计并制备了一种三维Au@Ag-Au多孔纳米框架（PPF）等离子体结构。该结构由一个Au纳米立方（NC）核心和嵌入在Ag-Au多孔纳米框架表面的金颗粒组成。这种结构不仅有助于在Au NC核、Au-Ag纳米框架和Au纳米粒子之间形成更丰富的局部电场分布模式，且独特的三维形态和开放的内部空间允许分析物的高效运输，从而增加了在气相中检测到低浓度分子的可能性。实验表明，Au@Ag-Au PPF对4-巯基苯甲酸（4-MBA）分子的检出限比传统的Au NCs低两个数量级。利用L-半胱氨酸（L-Cys）对Au@Ag-Au PPFs SERS底物进行功能修饰，基于酰化反应可有效捕获醛分子。然后将L-Cys修饰的SERS传感器夹在医用口罩中，制备了用于检测呼出气体中苯甲醛（BA）的口罩传感器。在佩戴口罩传感器一段时间后采集BA的SERS光谱。最后SERS光谱输入到卷积神经网络（CNN）算法模型中完成自动化数据分析，实现BA浓度的准确预测。
研究的主要内容
【图文简介】
Au@Ag-Au PPF的制造涉及三个主要步骤，如图1所示。首先，采用种子生长法制备Au NCs，然后通过化学还原法在Au NCs上沉积Ag原子，制备Au@Ag NCs。最后，银壳层和AuCl3−之间发生了置换还原反应，导致银原子在被蚀刻的同时，Au3+在银壳的侧面被还原，从而实现多孔、粗糙的Au@Ag-Au PPF等离子体的制备。
图1 制备Au@Ag-Au PPFs的多步骤合成途径。
图2 NPs的形态学和光学表征。A) Au NCs、B) Au@Ag NCs、C) Au@Ag-Au PFs、D) Au@Ag-Au DPFs和E) Au@Ag-Au PPFs的SEM和TEM图像。F)Au@Ag-Au PPFs的EDS映射图像，显示了Ag和Au的组成。G)Au@Ag-Au PPFs的EDS线映射轮廓。H)紫外可见NIR光谱。I)模拟的光谱，包括Au@Ag-Au PPFs的吸收、散射和消光。
图3 具有不同形态的Au NP阵列的光学特征。A) 显示Au@Ag-Au PPF阵列中的热点的示意图。 B) Au NCs、C) Au@Ag NCs、D) Au@Ag-Au PFs、E) Au@Ag-Au DPFs和F)Au@Ag-Au-PPFs单分子层的SEM图像；扫描电镜图像的局部放大图像和相应的仿真模型。G-K)与B-F)对应的表面场分布图像。L-P)以B-F)为SERS底物获得的4-MBA的SERS光谱。
图4 Au NSs@Ag-Au PPF和Au CNCs@Ag-Au PPF的形态学和光学表征。A) Au NSs、B) Au NSs@Ag NCs和C) Au NSs@Ag-Au PPFs的SEM图像。D)Au NSs@Ag-Au PPFs的TEM图像。E) Au CNCs、F) Au CNCs@Ag NCs和G)Au CNCs@Ag-Au PPFs的扫描电镜图像。H)Au CNCs@Ag-Au PPFs的透射电镜图像。IK)和LN)紫外可见NIR光谱分别对应于AC和EG。在O) Au NSs、Au NSs@Ag NCs、Au NSs@Ag-Au PPFs和P) Au CNCs、Au CNCs和SECS底物上获得的4-MBA（10−6 M）的SERS光谱。Q)从4-MBA的典型SERS底物上的SERS谱中提取的特征峰的强度。
图5 L-Cys修饰的Au@Ag-Au PPFs SERS底物+ BA的SERS光谱。A)L-Cys与BA之间的反应示意图。B)L-Cys修饰的和C)4-ATP修饰的Au@Ag-Au PPFs与BA反应前后的SERS光谱。D)L-Cys修饰和E)4-ATP修饰的Au@Ag-Au PPFs在不同激光功率下的稳定性。F) SERS光谱和G)L-Cys修饰的Au@Ag-Au PPFs与不同干涉物反应前后的光谱相似性。
图6 纸基SERS衬底的制备工艺及BA的定量检测。A)掩模型SERS基底的制备工艺。L-Cys修饰的Au@Ag-Au PPFs与不同浓度BA反应后的B)拉曼光谱。C)在500×500 μm2的面积上获得的在1001cm−1处获得的峰的拉曼映射。D)从不同批次制备的Au@Ag-Au PPF SERS底物中收集的L-Cys+BA的拉曼光谱。E）吸附时间和F）储存时间对SERS衬底BA检测（500 ppb）性能的影响。G)CNN模型的精度和损失函数。H)由CNN模型预测的结果。I)预测结果和实际结果之间的误差值。
【论文小结】
团队设计并制备了一种用于检测气态BA的Au@Ag-Au PPFs SERS底物。Au@Ag-Au PPFs的结构具有丰富的局域电场分布模式，并且开放的框架结构允许分析物的有效传输，从而提高了检测低浓度分子的概率。Au@Ag-Au PPFs对4-MBA分子的检出限比传统Au NCs低两个数量级。利用L- Cys修饰的Au@Ag-Au PPFs SERS底物实现了气体醛生物标志物的选择性检测，且避免其他气体（乙醇、环己烷、甲苯等）的干扰。为配合医疗实际，将改进后的SERS芯片组装成口罩传感器，并将检测结果与CNN算法相结合，实现了气态BA浓度的自动准确检测。预测结果与实际结果的线性回归系数为0.998。因此，该传感器具有良好的醛分子分析灵敏度和特异性，有望为SERS的医学应用提供新的方向。
哈工大航天学院/郑州研究院哈斯乌力吉教授，大连民族大学林翔副教授、董斌教授为论文共同通讯作者，哈工大航天学院（派驻郑州研究院）博士研究生方国强为论文第一作者。
本项研究工作得到国家自然科学基金项目、哈工大郑州研究院科研启动经费项目等项目的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202408670
责任编辑：梅鹏飞
审核：张懿文、姜桃飞