表面增強拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering, SERS）光譜技術(shù)因其具有靈敏度高、響應速度快、指紋識別等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境污染物檢測、食品安全篩查和生物傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。當兩個(gè)金屬納米結構單元之間的距離小于10 nm時(shí)，其“間隙處”會(huì )產(chǎn)生極強的耦合電磁場(chǎng)，通常稱(chēng)為SERS“熱點(diǎn)”。一旦分析物分子進(jìn)入熱點(diǎn)區域，其拉曼信號將被顯著(zhù)放大，從而實(shí)現對超低濃度分析物的快速檢測。因此，設計構筑尺寸小、分布均勻的“納米間隙”是SERS檢測領(lǐng)域研究的難點(diǎn)與挑戰。然而，隨著(zhù)間隙尺寸減小到納米尺度，分析物進(jìn)入間隙中的難度也急劇增加，特別是大尺寸的蛋白質(zhì)和病毒等分析物將無(wú)法進(jìn)入到尺寸狹小的納米間隙中，這就制約了SERS檢測技術(shù)對大尺度分析物的檢測。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種可適用于各種不同大小尺寸分析物檢測的高靈敏度、通用型SERS基底。
鑒于此，科研人員設計了一種獨特的“上端為開(kāi)口向上的錐形槽-下端為矩形窄縫隙”陣列的SERS基底，其中上端的錐形槽和下端的矩形窄縫隙的尺度均為納米級，因此簡(jiǎn)稱(chēng)為“錐形納米槽-隙陣列”。時(shí)域有限差分法（FDTD）模擬結果表明，當上端錐形槽的開(kāi)口角度從最初的0 逐漸張開(kāi)到4.5 時(shí)，光場(chǎng)被局域在開(kāi)放空腔內，位于上端的“錐形溝槽”激發(fā)的二維間隙表面等離激元（Two-Dimensional Gap-Surface Plasmons, 2D GSPs）模式和位于“下端約5 nm的矩形間隙”激發(fā)的局域表面等離激元共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）模式相互耦合，產(chǎn)生強耦合的場(chǎng)增強效應，形成大模式空間分布的強耦合場(chǎng)（圖2），預示著(zhù)這種金屬“錐形納米槽-隙陣列”在SERS檢測領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
為了能夠大規模可重復地制備這種金屬“錐形納米槽-隙陣列”SERS基底，科研人員以預先經(jīng)過(guò)大面積凸模壓印的鋁片作為起始材料，采用“陽(yáng)極氧化與擴孔”多次循環(huán)進(jìn)行的新技術(shù)，制備了大面積有序排列的“錐形納米槽-隙陣列”的多孔陽(yáng)極氧化鋁（AAO）模板；進(jìn)而采用在這種模板表面蒸鍍貴金屬與聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等相關(guān)技術(shù)，成功構筑了一系列具有不同幾何特征與尺寸的金屬“錐形納米槽-隙”陣列（圖3）。在SERS檢測過(guò)程中，上端開(kāi)口的錐形溝槽結構可以高效抓捕大尺寸的分析物，并通過(guò)激發(fā)二維間隙表面等離激元2D GSPs充當光收集器；位于下端的納米間隙充當帶有能量約束的納米天線(xiàn)，在開(kāi)放空腔中激發(fā)強烈的光與物質(zhì)相互作用。得益于大的模式空間分布強耦合場(chǎng)，這種金屬“錐形納米槽-隙陣列”可作為一類(lèi)通用（Universal）的SERS基底，用于快速檢測具有不同尺寸大小的多種目標分析物。實(shí)驗結果表明，該金屬“錐形納米槽-隙陣列”SERS基底對小尺寸探針?lè )肿恿_丹明R6G的檢測靈敏度低至10-14 M，增強因子高達1.192 108，檢測信號相對標準偏差（RSD）僅7 %。進(jìn)而，采用這種新型SERS基底，實(shí)現了對約2 nm大小的阿茲海默疾病標志物、長(cháng)度為8.3 nm-26.7 nm的牛血清白蛋白以及約160 nm大小的SARS-CoV-2假病毒的有效捕獲和快速靈敏識別（圖4），表明這種新型SERS基底具有很好的普適性和可靠性，為用SERS技術(shù)檢測不同尺寸大小的各種待檢物開(kāi)辟了新途徑，具有重要的理論意義和實(shí)際應用價(jià)值。
固體所博士生閆思思和西湖大學(xué)博士生孫嘉誠為論文的共同第一作者，孟國文和文燎勇（西湖大學(xué)）為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目和安徽省科技重大專(zhuān)項等資助。
