1. “软包裹”纳米铸造技术解决介孔贵金属纳米结构制备中长期难题

   自上世纪九十年代有序介孔二氧化硅被发现以来，介孔材料被广泛应用于生物传感、分离、吸附、催化等多个领域。以有序介孔材料为模板，通过前驱体的填充、还原、去模板化等“纳米铸造”工艺，可以获得多种有序孔结构纳米材料，包括金属、金属氧化物及合金等。然而，不同于纳米晶在自由溶液体系中的可控合成，金属在二氧化硅模板内具有较高的迁移能力，金属前驱体的引入及后续还原中抑制产物向介孔模板外迁移困难重重。时至今日，通过纳米铸造的办法，在介孔通道的受限空间内调控金属纳米晶的生长仍是一个巨大的挑战。

  贵金属介孔结构，尤其是Au、Ag介孔结构，在制备过程中一直面临介孔模板外部生长，介孔纳米颗粒、形貌不匀一的问题。基于纳米铸造技术，通过提出“软包裹”策略，解决了三维有序贵金属介孔结构在制备中，产物向介孔模板外部扩散的这一长期技术难题，获得了多种形貌一致、尺寸均匀、单分散的贵金属介孔结构（图1）。具体而言，利用不溶解贵金属前驱体的“软包裹”溶剂，抑制贵金属还原过程中在介孔模板内部的高流动性和快速迁移，实现了纳米材料在介孔模板内部的定向生长。

图1. “软包裹”纳米铸造技术示意图及所获介孔结构形貌图

  在电化学催化甲醇氧化的测试中，相比于对照组4 nm和70 nm的Au 纳米颗粒，AuAg合金介孔结构表现出优异的质量活性、比表面活性和良好的催化稳定性。利用相变材料（LA）将抗癌药物（DOX）封装到Au介孔结构的孔道内部，形成Au-PEG+LA/DOX体系。基于Au介孔结构的光热效应，在激光照射下Au-PEG+LA/DOX体系的温度升高进而将癌细胞杀死，同时，相变材料在高温下融化释放封装的DOX，从而起到光热-化疗联合治疗的作用效果（图2）。

图2. 贵金属介孔结构在电化学催化和生物光热-载药联合治疗上的应用

研究成果：在介孔等离激元纳米结构领域进行了深入而丰富的研究，其相关工作以第一作者的身份发表在多个国际顶尖杂志上，包括Nature Communications, 2018, 9: 521 (IF = 17.694); Small, 2018, 14, 1702565 (IF = 15.153); Nanomedicine, 2019, 14(11), 1443-1454 (IF = 6.096)。

2. 基于增强光谱技术的高灵敏生物传感器

  表面增强拉曼光谱（SERS）是一种能提供分子指纹精细信息的振动光谱技术，具有单分子级灵敏度，在环境污染、食品卫生、生命医学、反恐军事、文物鉴定等多个国家急需技术领域的便携式快速检测具有广阔应用前景。历经半个世纪的研究，SERS技术已取得了长足的进步，但其在实际检测中的应用却举步维艰。究其根本，SERS在商业上应用还面临着大瓶颈：首先是对本征散射截面较小或与金属表面亲和力弱的目标分子的检测灵敏度低。众所周知，SERS是一种光学近场效应，只有当目标分子非常接近等离子体表面时（2~5 nm最佳），才能获得较高的检测灵敏度。其次是胶体增强试剂的“咖啡环”效应。由于成本和衬底制备工艺的限制，目前用于SERS检测的试剂主要是化学法合成的胶体金纳米颗粒。这种胶体颗粒以水溶液为分散剂，在SERS衬底制备过程中，水分蒸发带动胶体颗粒组装形成“咖啡环”，进而导致衬底检测信号不均匀。

图3. 基于磁性颗粒-环糊精聚合物的增强光谱技术方案示意图

  鉴于上述分析，受微孔β-环糊精与有机污染物形成主客体包覆的启发，提出了一种新的分子选择性富集策略。将磁性纳米颗粒引入β-环糊精聚合物中（MN-PCDP），从含有复杂基质的真实样品中快速分离和高效富集持久性有机污染物分子，消除了实际样品中杂质对非特异性吸附的干扰，并实现了对有机污染物分子的超灵敏快速检测（图3）。该策略具有超高的分子吸附能力，能够在短时间内（2~3 min）完成对目标分子的高效捕获、选择性分离和高倍富集（可达~ 1000倍，图4）。实现了对于常规分子fM水平的检测，为SERS技术在商业化和实际检测中的应用提供了一种新的思路，在基于增强光谱技术的现场、快速、便携式分子检测方面具有极强的应用价值。

图4. 分子选择性富集策略在SERS和荧光光谱中的应用

研究成果：增强光谱高灵敏传感器的研究，其相关工作发表在多个高水平杂志上，其中一作文章包括Nature Communications, 2021, 12: 6849, (IF = 17.694); Analytical Chemistry, 2020, 92, 9838-9846, (IF = 8.008); Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7, 15259-15268, (IF = 8.067)。

3. 手性等离激元增强光谱不对称响应

  等离激元纳米材料能够最大限度地实现光与物质的相互作用，其独特的不对称光谱增强性质为通过合理设计等离子体纳米结构来利用偏振光开辟了新的途径。基于对手性等离激元纳米结构的精心设计，多种优异的光操纵现象已经实现，如偏振调制、相位控制、负折射率等。为了研究手性等离子体纳米结构独特的光学性能，人们开发了多种制备方法，包括自上向下的纳米制造方法和利用DNA、肽和蛋白等生物分子作为模板进行纳米颗粒组装。近年来，基于手性分子与无机材料相互作用合成手性形貌的研究越来越多。然而，尽管有许多努力，在纳米尺度上控制手性结构仍然是一个不小的挑战。特别是基于液相合成的不对称纳米结构的制备和各向异性三维手性结构的制备仍然是一个难点。

  通过对手性结构形成的详细研究，基于氨基酸分子的手性诱导作用，通过化学生长的方法，获得了一种全新的手性等离激元纳米结构（图5）。研究了种子、氨基酸等合成参数对手性结构的影响，并在此基础上对手性结构进行了系统的调控。通过电磁模拟进一步阐明了调制手性结构因子与光学响应之间的关系。重要的是，研究发现该化学方法合成的手性等离激元纳米结构在暗场散射中展现出了优异的手性响应，其不同构型状态下手性响应可控，这在之前的关于手性等离激元的研究中并未报道，对手性纳米粒子的全面研究将为手性等离子体纳米结构的进一步发展提供新的思路。

图5. 手性等离激元纳米结构及其增强光谱研究