2022年4月19日，中科院化学所宋延林研究员、苏萌副研究员团队与复旦大学石磊教授等合作在Matter期刊上发表了一篇题为“Self-assembled 1D nanostructures for direct nanoscale detection and biosensing”的新研究。

他们通过纳米绿色印刷技术制备了具有独特光学共振响应的一维纳米结构阵列，实现了无标记、可视化检测单个纳米颗粒，该方法在超灵敏检测病毒颗粒方面具有巨大优势。

纳米颗粒、病毒、蛋白质等纳米尺寸物体的快速检测和测量，不仅在众多基础和应用研究中具有重要意义，而且对探索和控制纳米物体的化学、物理以及生物特性至关重要。传统的光学显微技术能够原位观察样品的形状和大小，但是由于存在衍射极限，难以直接观察到200 nm以下的物体。荧光显微镜虽然具有很高的分辨率，但需要复杂的荧光标记以及激光成像装置，限制了其广泛应用。近年来，基于纳米结构的光学检测系统受到了广泛关注，如表面增强拉曼散射光谱、表面等离子体共振技术、光学纳米微腔检测技术等，这些方法能够实现单颗粒甚至单分子的信号探测，但由于操作复杂、设备昂贵，且金属在可见光区域吸收损耗大，因而在可视化检测方面的应用受到了很大的限制。因此，开发简单、高效、低成本的新型纳米尺度光学检测技术具有重要意义。

近日，中科院化学所宋延林研究员、苏萌副研究员团队以纳米绿色印刷微纳光子结构为基础，通过调控一维纳米结构的光子共振特性，实现了无标记、可视化地检测单个纳米物体，突破了传统的光学衍射极限。该方法在病毒颗粒的超灵敏检测方面展现出巨大优势。复旦大学石磊教授和俄罗斯ITMO大学Dmitry Zuev教授团队利用仿真计算验证了一维纳米结构对近场和远场的调控效应和机理，为实验结果提供了有力的理论支持。

图1：基于印刷一维纳米光子结构实现无标记、可视化检测单个纳米颗粒的过程及原理。

纳米绿色印刷技术实现了大面积制备一维纳米光子结构阵列，其在可见光范围表现出独特的共振特性，可以显著放大纳米物体的光学信号。研究发现，当一维纳米光子结构的尺寸大于250 nm，其散射光和衍射光均出现在可见光范围内，大大提高了单纳米颗粒检测的灵敏度。研究者通过优化一维纳米光子结构的尺寸，实现了可视化地检测纳米缺陷、测量单个纳米颗粒的尺寸以及分析纳米颗粒的数目。相比于传统的暗场成像，该方法显著提高了光学显微镜的成像对比度。

图2：可视化检测单个纳米缺陷、纳米颗粒以及病毒颗粒。

研究还发现，当病毒颗粒结合在一维纳米光子结构上时，会影响其周围的电磁场分布，改变一维纳米光子结构的共振波长和强度。利用简便的表面化学修饰，如基于羧基和氨基的偶联反应，可以在一维纳米光子结构表面修饰能够特异性识别病毒颗粒的抗体。将含有新冠病毒模型的血清直接滴在一维纳米光子结构上，通过手机就能够在10分钟内观察到单个病毒的特异性吸附，且检测限降低至100 PFU mL^-1。该研究提供了一种快速、低成本和易操作的高灵敏病毒检测方法，可广泛适用于不同病原体的实时监测，在疾病筛查和临床诊断中具有广阔应用前景。

图3：快速实时检测生物体液中的新冠病毒模型。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.03.013