金功能化硅藻壳：用于生物分子与环境污染物灵敏SERS检测的层级纳米器件

摘要

硅藻壳是天然存在的二氧化硅壳体，具有高度有序的孔隙晶格，可作为低成本、高性能的分子捕获与检测平台。本文展示了一种可扩展的光沉积法，在硅藻壳表面均匀包覆20 nm金纳米颗粒，构建层级纳米器件（D24），集宏观可操作性、微米级分子收集和纳米级表面增强拉曼光谱（SERS）于一体。D24器件可捕获低至10⁻¹⁶ M的牛血清白蛋白（BSA）和50 ppm的矿物油，展现出生物医学诊断、安全监测和环境监控的应用潜力。

研究背景

硅藻作为普遍存在的单细胞藻类，贡献了40–50%的海洋有机物和20%的全球CO₂固定。其壳体——直径约8 µm、高度>10 µm的微米级二氧化硅圆柱体——具有卓越的比强度（~1700 kN m⁻¹）和源于规则孔隙晶格（孔径200±40 nm）的天然光子特性。这些属性使硅藻成为纳米技术的理想候选，但实际应用受限，主要因需要额外功能化以赋予传感能力。

本文演示了一种简单、可扩展的光沉积工艺，在硅藻壳上均匀沉积金纳米颗粒，构建多尺度架构，实现高效分子捕获和基于SERS的检测。该方法以食品级、高性价比的硅藻土为原料，在1小时内大量制备D24器件。

结果

金纳米颗粒功能化

用piranha溶液清洗硅藻土并用2% HF粗糙化表面后，将壳体悬浮于异丙醇中的0.1% HAuCl₄溶液中，在UVA/UVB光照下进行光沉积。通过控制壳体浓度、金前驱体注入量和照射时间（1 h，20 mg壳体于50 mL中，每5 min加入30 µL HAuCl₄），实现了20 nm Au纳米颗粒在外表面和孔内的致密均匀包覆。

扫描电镜（SEM）确认纳米颗粒占据孔隙和外壳表面（图1b,c）。X射线光电子能谱（XPS）显示金属金特征峰（Au 4f₅/₂于84 eV）和特征价带特征，证实功能化成功（图2）。

电磁场增强

有限元模拟将D24系统建模为介电常数n=1.3、六方孔隙晶格、每孔125个Au纳米颗粒的结构。633 nm TM平面波（1 W）照射下，纳米颗粒附近局域电场达|E|≈3×10⁸ V m⁻¹，场增强因子Q≈10²，SERS增强因子Q_SERS≈10⁸。增强随入射角θ振荡，在θ=20°时|E|≈1.5×10⁸ V m⁻¹，θ=50°时|E|≈4×10⁸ V m⁻¹，但所有取向下均足以实现稳健检测（图3）。

BSA的SERS分析

将D24器件在10⁻¹⁶ M BSA溶液（1 mg mL⁻¹）中孵育10 min，BSA被捕获于200 nm孔隙内。用633 nm激光（0.18 mW）收集拉曼光谱，在1392、1556–1576和1670 cm⁻¹观测到明显的SERS峰，分别对应芳香环振动、酰胺带和COO⁻伸缩振动（图4a）。拉曼成像证实BSA在器件上均匀分布（图4c,d）。

矿物油的SERS分析

D24器件从水乳液中捕获矿物油（MO）低至50 ppm。拉曼光谱显示特征CH₂剪刀振动（1450 cm⁻¹）和CH伸缩振动（2850–2923 cm⁻¹）带，随MO浓度线性增强（图5a）。在1450和2900 cm⁻¹处的成像以亚微米分辨率解析了MO分布（图5c,d）。

讨论

D24平台将捕获、保留和检测集于单一便携器件中。与需外部沉积分析物的传统SERS底物不同，D24同时作为靶标浓缩器和传感器，可在复杂基质中实现实时监测。层级设计使器件可导入生物循环系统，捕获生物标志物并以高时空分辨率报告疾病状态。

前人已展示基于银或无电镀金的硅藻SERS底物，但这些方法要么固定壳体，要么涉及更复杂化学。我们的光沉积法快速、可扩展、后处理少，适合大规模生产。

结论

我们建立了一种快速、高性价比的制备金包覆硅藻壳（D24）的方案，可捕获分子并提供SERS增强。器件可检测10⁻¹⁶ M BSA和50 ppm矿物油，凸显其在分析化学、生物医学诊断、食品安全和环境监测中的潜力。

方法

扫描电子显微镜

D24样品固定在碳胶带上，用Zeiss Auriga Compact FE-SEM（二次电子和背散射探测器）成像以观察形貌和Au分布。

荧光分析

器件与50 nm Fluoresbrite®黄绿微球（1:10比例）孵育，在Leica TCS-SP2共聚焦显微镜（ArUV激光，441 nm激发，485 nm发射）成像。图像覆盖975×750 µm²并平均以减少噪声。

X射线光电子能谱

XPS在PHI Versa Probe II上进行，使用100 W Al Kα源（11.7 keV）。全谱扫描（≥20 min）和高分辨谱（0.1 eV分辨率）以C 1s（284.8 eV）为参考。

电磁模拟

COMSOL Multiphysics 5.3建模包含125个20 nm Au球的单元格，介电常数1.3。633 nm TM平面波（1 W）照射，用完美匹配层和磁导体边界计算场分布。

拉曼光谱

拉曼成像用Renishaw inVia微区拉曼显微镜，633 nm HeNe激光（0.18 mW）。20×物镜，每点积分20 s获取光谱。

缩写

BSA

牛血清白蛋白

D24系统

金纳米颗粒功能化的二氧化硅硅藻壳

DE

硅藻土

MO

矿物油

SERS

表面增强拉曼光谱