核壳等离子体纳米间隙的纳米结构材料的制作方法
本申请要求2016年3月24日提交的新加坡专利申请no.10201602345w的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
各种实施例涉及核壳等离子体纳米结构材料，用于制备核壳等离子体纳米结构材料的方法，以及核壳等离子体纳米结构材料在传感、光电子学或治疗诊断学中的用途。
背景技术：
局域表面等离子体(lsps)可能是由于表面等离子体被限制在纳米粒子中而产生的，纳米粒子的尺寸相当于或小于用于激发等离子体的电磁辐射的波长。局域表面等离子体可能具有共振频率，在该共振频率下光的吸收和散射的发生效率最高，这可能反过来取决于金属和表面的性质，例如尺寸、粗糙度、形状、粒子间距和介电环境。
等离子体纳米材料的独特光学特性源于局域表面等离子体共振(lspr)，其在化学、材料科学、光子学和医学多个学科中具有巨大的潜力。具有精确控制的光谱特性和/或多功能特征的等离子体纳米结构的开发是其在各种应用中的关键。特别地，等离子体纳米结构的定制lspr允许在亚波长尺度上对光子进行空间限制并在特定波长上对光分子相互作用进行控制，形成其在表面增强光谱学和光电子学中的功能的基础。
从诸如传感、诊疗纳米医学和等离子体增强光化学反应(例如，光催化和太阳能转换)等新兴领域的最新进展可以明显看出多功能纳米粒子的前景，其中结构整合的等离子体材料和互补的对应物导致协同特性。lspr波长对等离子体纳米结构的粒子间耦合的强烈依赖性激发了人们对于在构建块之间具有清晰的纳米间隙的纳米粒子组件的广泛兴趣。
核壳纳米间隙的纳米粒子(nnps)或nanomatryoshkas具有将核和壳分离的内置介电间隙，已经成为一类内部耦合的等离子体纳米结构。纳米间隙尺寸在针对可见和近红外(nir)光谱范围内的宽调谐lspr而定制核和壳的等离子体耦合方面起关键作用。在纳米间隙尺寸和光学编码方面，已经使用诸如二氧化硅、dna和小分子的材料作为介电隔离物，进行了相当大的努力来设计纳米间隙。然而，针对多功能nnps同时实现定制的纳米间隙工程和结构整合仍然具有挑战性。
鉴于上述情况，需要一种改进的等离子体纳米结构材料来克服或至少减轻一个或多个上述问题。
技术实现要素：
在第一方面，提供一种核壳等离子体纳米结构材料。所述核壳等离子体纳米结构材料具有核和围绕所述核的至少一个壳，其中所述至少一个壳包括：
a)包括具有邻苯二酚基团的聚合物的第一层，所述第一层在所述核壳等离子体纳米结构材料中界定纳米间隙，以及
b)包括金属的第二层，所述第二层设置在所述第一层上。
在第二方面，提供一种制备具有核和围绕所述核的至少一个壳的核壳等离子体纳米结构材料的方法。该方法包括：
a)提供纳米结构材料，以及
b)通过以下方式在所述纳米结构材料上形成至少一个壳：
i.在纳米结构材料上形成包括具有邻苯二酚基团的聚合物的第一层，所述第一层在所述核壳等离子体纳米结构材料中界定纳米间隙，以及
ii.在第一层上形成包括金属的第二层。
在第三方面，提供根据第一方面的核壳等离子体纳米结构材料或通过根据第二方面的方法制备的核壳等离子体纳米结构材料在传感、光电子学或治疗诊断学中的用途。
附图说明
为了更好地理解本发明，下面将结合以下非限制性实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是显示根据实施例的基于聚多巴胺(pda)涂层合成纳米间隙的纳米粒子(nnps)的示意图。
图2a是具有2nmpda涂层的20nm金(au)纳米粒子(nps)的透射电子显微镜(tem)图像。
图2b是具有5nmpda涂层的20nmau纳米粒子的tem图像。
图2c是具有13nmpda涂层的20nmau纳米粒子的tem图像。
图2d是具有2nm的内置纳米间隙的nnps的tem图像。
图2e是具有5nm的内置纳米间隙的nnps的tem图像。
图2f是具有13nm的内置纳米间隙的nnps的tem图像。
图2g是具有单壳的nnps(50nmau纳米粒子作为核)的tem图像。
图2h是具有双壳的nnps(50nmau纳米粒子作为核)的tem图像。
图2i是具有三壳的nnps(50nmau纳米粒子作为核)的tem图像。
图2j是50nmau纳米粒子的tem图像。
图3a是20nmau纳米粒子的tem图像。
图3b是具有2nm厚的pda涂层的20nmau纳米粒子的tem图像。
图3c是具有5nm厚的pda涂层的20nmau纳米粒子的tem图像。
图3d是具有13nm厚的pda涂层的20nmau纳米粒子的tem图像。
图4a是20nmaunp的tem图像。
图4b是au@pda-20的tem图像。
图4c是au@pda-20@au的tem图像。
图4d是aunp、au@pda-20和au@pda-20@au的紫外-可见光谱。
图5a是纳米间隙的纳米粒子在0ulau前体下的扫描电子显微镜(sem)图像。
图5b是纳米间隙的纳米粒子在25ulau前体下的扫描电子显微镜(sem)图像。
图5c是纳米间隙的纳米粒子在50ulau前体下的扫描电子显微镜(sem)图像。
图5d是纳米间隙的纳米粒子在80ulau前体下的扫描电子显微镜(sem)图像。
图6是au(50nm)@pda的tem图像。
图7a是au(50nm)@pda@au的tem图像。
图7b是au(50nm)@pda@au@pda的tem图像。
图8a是描绘20nmau纳米粒子以及具有不同厚度(0、2、5和13nm)的pda涂层的au纳米粒子的紫外-可见光谱的曲线图。
图8b是显示20nmau纳米粒子和具有不同间隙尺寸的nnps的紫外-可见光谱的曲线图。
图8c是显示50nmau纳米粒子、具有pda涂层的au纳米粒子和具有不同壳数量的nnps的紫外-可见光谱的曲线图。
图8d是显示具有定位在pda层上的rhb标记的不同au纳米结构的sers光谱的曲线图。
图9是显示处于不同生长阶段的au纳米间隙的纳米粒子的紫外-可见光谱的曲线图。
图10a是显示pda涂覆的基质通过迈克尔加成和/或席夫碱反应与携带氨基的罗丹明b(h2n-rhb)结合的示意图。
图10b是显示pda涂覆的纳米粒子通过迈克尔加成和/或席夫碱反应与硫醇和胺基基团结合的示意图。
图11是显示在1647cm-1处的表面增强拉曼光谱(sers)强度作为每个aunnp中负载的rhb分子的平均数量的函数的曲线图。
图12a是显示所制备的纳米间隙的纳米粒子在水中分散0、6、12和24h的sers光谱的曲线图。
图12b是显示在24小时内1647cm-1处的时间依赖性sers强度的曲线图。
图13a是aunr的tem图像。
图13b是aunr@pda的tem图像。
图13c是aunr@pda@au的tem图像。
图13d是uio-66的tem图像。插图：更高放大倍数的样品；比例尺＝100nm。
图13e是uio-66@pda@au(uio-66@单壳)的tem图像。插图：更高放大倍数的样品；比例尺＝100nm。
图13f是uio-66@pda@au@pda@au(uio-66@双壳)的tem图像。插图：更高放大倍数的样品；比例尺＝100nm。
图14a是处于不同阶段的等离子体aunr(aunr、aunr@pda和aunr@pda@au)的紫外-可见光谱。
图14b是描绘处于不同阶段的核为uio-66的等离子体nnps的紫外-可见光谱的曲线图。
图15a是磁性氧化铁纳米粒子@pda@au(magnp@pda@au)的tem图像。
图15b是磁性nnps的tem图像。插图：磁性nnps的磁分离照片。
图15c是描绘处于不同生长阶段的磁性nnps的紫外-可见光谱的曲线图。
图15d是显示ntp编码的磁性nnps和对照纳米粒子的sers光谱的曲线图。
图16a是magnp的tem图像。
图16b是magnp@pda的tem图像。
图17a是使用sers编码的磁性nnps进行细菌检测的免疫测定的示意图。
图17b是显示不同浓度的大肠杆菌o157：h7的sers光谱的曲线图。插图：1341cm-1处的拉曼强度与相应的大肠杆菌o157：h7浓度的对数的关系。
图17c是显示来自对照缓冲液和各种细菌(106cfu/ml)的测定的基质在1341cm-1处的拉曼强度的图。
图18a是被磁性nnps捕获之前的大肠杆菌o157：h7的sem图像。
图18b是被磁性nnps捕获之后的大肠杆菌o157：h7的sem图像。
图19是描绘在od808nm＝1.5下暴露于808nm激光(1w/cm2)的磁性nnps的光热转换的曲线图。
图20a是通过暴露于808nm激光(1w/cm2)15min进行光热处理之前捕获的细菌的荧光图像。
图20b是通过暴露于808nm激光(1w/cm2)15min进行光热处理之后捕获的细菌的荧光图像。
图21a是显示au@pda和au@pda@agnanomatryoshkas的紫外-可见光谱的曲线图。
图21b是au@pda@agnanomatryoshkas的tem图像。
图22a是au@偏心pda的tem图像。偏心是相对于同心而言。在偏心pda涂层的情况下，au核不在正中心，这将诱导一些有趣的光学特性。
图22b是au@偏心pda@au的tem图像。偏心是相对于同心而言。在偏心pda涂层的情况下，au核不在正中心，这将诱导一些有趣的光学特性。
图23是描绘暴露于808nm激光(1w/cm2)的au纳米结构的光热转换的曲线图。
图24是显示不含拉曼染料的不同纳米间隙的au纳米结构(aunnps)的sers光谱的曲线图。
图25a是magnp@pda@au@pda在低倍数下的tem图像。
图25b是magnp@pda@au@pda在高倍数下的tem图像。
图25c是magnp@pda@au@pda@au在高倍数下的tem图像。
具体实施方式
第一方面中的各种实施例涉及具有核和围绕核的至少一个壳的核壳等离子体纳米结构材料。所述至少一个壳包括第一层和第二层，所述第一层包括具有邻苯二酚基团的聚合物，并在所述核壳等离子体纳米结构材料中界定纳米间隙，所述第二层包括金属并设置在所述第一层上。
具有邻苯二酚基团的聚合物可以是，例如，基于邻苯二酚胺的聚合物(例如聚多巴胺)。有利地，具有邻苯二酚基团的聚合物(如聚多巴胺)能够粘附到几乎任何固体基质上，并通过从水溶液中沉积而形成具有纳米级受控厚度的刚性保形涂层。因此，可以容易地控制由第一层界定的纳米间隙的尺寸，以改变核与壳的等离子体耦合。聚合物的粘附能力还意味着可以在各种纳米结构材料(例如具有不同尺寸、形状和化学组成的无机、有机或混合功能核)周围形成多个壳。同时，聚合物上的高密度的邻苯二酚基团可以赋予聚合物还原活性，促进原位成核和在其上沉积金属层。此外，纳米间隙还可以充当电磁热点(hot-spot)，使得通过将分子探针定位在纳米间隙中，例如，可以产生用于表面增强拉曼散射(sers)的放大光信号。
如本文所用的术语“纳米结构材料”是指具有以纳米(nm)测量的尺寸的材料，以及具有以纳米测量的尺寸的结构特征的材料。以纳米测量的尺寸可以例如小于100nm。术语“核壳纳米结构材料”是指纳米结构材料的结构配置，其中由第二材料形成的外层包围第一材料的内核，从而形成核壳结构。在各种实施例中，所述壳完全包围或包封所述核。
本文公开的核壳等离子体纳米结构材料可以具有规则形状(例如纳米球、纳米棒)或不规则形状，并且核壳等离子体纳米结构材料的尺寸可以通过其直径来表征。本文所用的术语“直径”是指穿过图形中心并终止于边缘的直线段的最大长度。虽然术语“直径”通常用于表示穿过中心并连接纳米球边缘上的两个点的线段的最大长度，但在本文中也用于表示穿过中心并连接具有其他形状(例如纳米棒、纳米立方体或不规则形状的纳米粒子)的纳米结构材料的边缘上的两个点的线段的最大长度。
如上所述，本文提及的纳米结构材料可具有以纳米测量的尺寸的结构特征。在各种实施例中，所述结构特征具有小于100nm的尺寸?？悸堑秸庖坏?，目前所公开的核壳等离子体纳米结构材料可包括直径大于或小于100nm的、第一材料的核，同时具有由第二材料形成的、厚度小于100nm的外层。作为另一个例子，核壳等离子体纳米结构材料可包括直径小于100nm的、第一材料的核，同时具有由第二材料形成的、厚度大于或小于100nm的外层。
如图13f所示，例如，根据一个实施例的核壳等离子体纳米结构材料可具有直径为约300nm的核以及包括第一层和第二层的壳，所述第一层界定约50nm厚的纳米间隙，所述第二层包括厚度约为30nm的金属并设置在所述第一层上。
如上所述，不同尺寸、形状和化学组成的纳米结构材料可以形成本文公开的核壳等离子体纳米结构材料的核。一般地，可以使用其上可以粘附具有邻苯二酚基团的聚合物的任何材料来形成核。在各种实施例中，所述核包括选自金属、金属氧化物、金属有机骨架、聚合物、磁性材料、荧光量子点及其组合的材料。例如，所述核可包括选自金、uio-66、聚苯乙烯捕获的磁性氧化铁及其组合的材料。
在一些实施例中，所述核由磁性材料形成。磁性材料可以是例如具有核壳结构的纳米粒子。例如，磁性粒子的核可包括磁性材料，例如铁磁性材料和/或超顺磁性材料。如本文所用，术语“铁磁性”是指可通过施加外部磁场而被磁化并且在去除外部磁场时能够表现出剩余磁化的材料。例如，铁磁性材料可以被磁场所吸引。铁磁性材料的例子包括：铁磁性金属，例如fe、co、ni、feau、fept、fepd和/或copt；铁磁性金属氧化物，例如fe2o3、fe3o4、coo、nio、cofe2o4和/或mnfe2o4；包括铁磁性金属和/或铁磁性金属氧化物的异质结构，例如au-fe2o3、ag-fe3o4、量子点-fe2o3结构；或上述的组合。
另一方面，术语“超顺磁性”是指在外部磁场中具有与铁磁性材料类似的磁性但在去除外部磁场之后不具有剩余磁化的材料?；谎灾?，超顺磁性材料可以是可以通过施加外部磁场而被磁化并且在去除外部磁场时不会表现出磁化的材料。
当铁磁性材料减小到一定尺寸/尺码，铁磁性材料可变为超顺磁性。铁磁性材料变为超顺磁性的阈值可以例如取决于材料的组成及其尺寸。就这一点而言，本领域技术人员能够确定特定组成和/或尺寸的铁磁性材料何时变为超顺磁性。
超顺磁性材料的例子包括：超顺磁性金属，超顺磁性金属氧化物，包括超顺磁性金属和/或超顺磁性金属氧化物的异质结构，或前述的组合。
磁性材料的壳可以包括能够围绕磁性粒子的核形成壳的任何合适的材料，例如聚合物、二氧化硅、金属、金属有机骨架(包含由与有机分子配位以形成一维、二维或三维结构的金属离子或金属簇形成的化合物)、或其组合。有利地，所述壳，例如聚合物或二氧化硅壳，可以通过保持磁性核完整且稳定来帮助?；て涿庥谕獠慷窳踊肪?例如酸性环境)。在各种实施例中，所述聚合物选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、酚醛树脂、其共聚物及其组合。在具体实施例中，所述聚合物包含聚苯乙烯或由聚苯乙烯组成。
具有核壳结构的磁性粒子可采用细乳液聚合工艺制备。例如，可以将诸如过二硫酸钾(kps)、偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰的引发剂加入到包含分散在水溶液中的磁性材料粒子的第一液体试剂中，并搅拌以将引发剂溶解在第一液体试剂中?？梢越械ヌ宓牡诙禾迨约良尤氲剿没旌衔镏?，由此单体经历聚合使得形成作为围绕粒子的壳的聚合物，从而获得磁性核壳粒子。在一些实施例中，该磁性粒子具有核壳结构，核包括诸如fe2o3、fe3o4、coo、nio、cofe2o4和/或mnfe2o4的超顺磁性金属氧化物，并且壳包括围绕该核的聚合物。在具体实施例中，该磁性粒子具有核壳结构，核包括fe3o4，壳包括围绕核的聚苯乙烯。
核壳等离子体纳米结构材料的核的形状没有特别限制，可以是例如纳米粒子、纳米立方体、纳米球或纳米棒。在一些实施例中，所述核为纳米粒子或纳米棒。核壳等离子体纳米结构材料的核的尺寸也没有特别限制，可以是如上定义的任何合适的尺寸。
至少一个壳可围绕着核。所述至少一个壳可以包括包含具有邻苯二酚基团的聚合物的第一层以及包含金属并设置在所述第一层上的第二层，其中所述第一层在所述核壳等离子体纳米结构材料中界定纳米间隙。因此，本文公开的核壳纳米结构材料可称为核壳等离子体纳米结构材料，其中术语“等离子体”是指涉及或关于介质中导带电子响应于电磁辐射的集体振荡的效应或条件。如本文所公开的，核壳等离子体纳米结构材料表现出的等离子体效应可以由包含在核壳等离子体纳米结构材料的壳中的第一层所界定的纳米间隙产生。术语“纳米间隙”通常是指由一对导电表面形成的纳米间隙，例如在核壳等离子体纳米结构材料的核与壳的第二层之间形成。尽管一般认为具有纳米级尺寸的纳米间隙极难调整，但使用本文公开的方法已经证明，例如，可以容易地控制由第一层界定的纳米间隙的尺寸以改变核与壳的等离子体耦合。
所述壳的第一层可包括具有邻苯二酚基团的聚合物或由其组成。在各种实施例中，具有邻苯二酚基团的聚合物是基于邻苯二酚胺的聚合物。在一些实施例中，具有邻苯二酚基团的聚合物选自：聚多巴胺、聚(去甲肾上腺素)、聚(l-3,4-二羟基苯丙氨酸)、聚(5,6-二羟基-1h-苯并咪唑)、多酚、多巴胺改性的聚(l-谷氨酸)、多巴胺改性的多酚、多巴胺改性的聚(乙烯亚胺)、聚多巴胺和cu2+、多酚和fe3+、其共聚物以及其组合。
在具体实施例中，具有邻苯二酚基团的聚合物包括聚多巴胺。聚多巴胺是指可通过多巴胺聚合获得的聚合物，其是指具有下式的化学化合物：
在各种实施例中，包含具有邻苯二酚基团的聚合物的第一层是设置在核上的聚合物的连续保形涂层。在一些实施例中，包含具有邻苯二酚基团的聚合物的第一层直接与核接触。
包含具有邻苯二酚基团的聚合物的第一层的厚度为至少2nm，例如，约2nm至约50nm，约2nm至约20nm，约10nm至约20nm，约15nm至约20nm，约2nm至约15nm，约2nm至约10nm，约2nm至约5nm，或约8nm至约12nm。虽然聚合物的单次沉积可以导致厚度在约2nm至约13nm的范围内(这取决于所使用的工艺类型)，但是通过进行多次聚合物沉积可以实现具有更大厚度的聚合物。例如，通过进行两次沉积过程可以实现约20nm的聚合物厚度。一般地，对于第一层的厚度没有上限，并且可以通过例如改变如上所述的沉积循环数来改变或控制第一层的厚度。然而，具有金属增强特性的纳米间隙，例如sers或金属增强荧光形式的纳米间隙，通常具有约2nm至约50nm的厚度。
在一些实施例中，第一层还包括信号探针。例如，信号探针可以是拉曼探针或荧光探针中的至少一种。拉曼探针可选自：罗丹明b、罗丹明6g、4-硝基苯硫酚、4-溴苯硫酚、3,5-二氟苯硫酚及其组合。另一方面，荧光探针可选自：荧光素、罗丹明6g、2’,7'-二氯二氢荧光素及其组合。在一些实施例中，信号探针共价键合至包含在第一层中的具有邻苯二酚基团的聚合物。在图10a和10b中对例子进行了描述，其中拉曼探针共价键合至包含在第一层中的具有邻苯二酚基团的聚合物。
通过将一个或多个信号探针固定在纳米间隙内，将其与来自周围环境的干扰因素隔离开来，这对于定量检测是重要的。有利地，信号探针在纳米间隙中的稳定的量化的分子固定可以转化为信号的放大，进而提高检测或传感的灵敏度。例如，拉曼探针在sers活性纳米间隙中的固定可以放大sers信号，进而提高使用sers的检测或传感的灵敏度。类似地，当荧光探针位于纳米间隙中时，可以观察到金属增强的荧光。
围绕核壳等离子体纳米结构材料的核的至少一个壳还包括设置在第一层上的第二层，该第二层包含金属或由金属组成。所述金属可以例如是金、银、铝、铂、钯和/或铜。在各种实施例中，金属为金。
所述壳的第二层可以是设置在第一层上的金属的连续保形涂层，和/或可以具有任何合适的厚度。所述壳的第二层的厚度可以是例如至少5nm。与第一层的情况一样，通过对第二层进行多次沉积，可以使第二层具有更大厚度。因此，经过多次过程之后，所述壳的第二层的厚度可以为100nm或更厚。在具体实施例中，所述壳的第二层的厚度可以为约10nm至约100nm，例如约10nm至约50nm，约10nm至约30nm，约10nm至约20nm，或约15nm。
在具体的实施例中，所述壳的第二层的厚度为约15nm。发明人已经发现，该厚度对于sers和荧光来说都会产生具有最高强度的最佳信号。在更高的厚度下，来自纳米间隙的sers信号或荧光的强度可以被第二层再吸收，从而产生降低的信号水平。包含在核壳等离子体纳米结构材料的壳中的第一层和第二层可以具有彼此相同或不同的厚度。
在一些实施例中，第二层还包含附着于金属的分析物结合分子。这可以使得能够调整核壳等离子体纳米结构材料与生物系统的相互作用。分析物结合分子可以通过连接键与金属共价键合，例如，涉及使用诸如硫醇基团、羧基基团和/或氨基基团的官能团，或通过酯键。在其中金属为金的实施例中，例如，分析物结合分子可以通过与硫醇基团形成硫醇-au键而共价键合到金表面。例如，分析物结合分子可以选自抗体、dna适体、rna及其组合。例如，单克隆抗体(8b1-c2-b1)可用于特异性键合至细菌大肠杆菌(e.coli)o157：h7，而muc-1适体可用于特异性键合至乳腺癌细胞系mcf-7。
在各种实施例中，核壳等离子体纳米结构材料包含两个或多个壳，例如两个、三个、四个、五个、六个、八个或十个壳。在一些实施例中，核壳等离子体纳米结构材料中包含的壳的数量为两个或三个。
所述两个或多个壳中的每一个可具有包含具有邻苯二酚基团的聚合物的第一层和包含金并设置在所述第一层上的第二层，所述第一层在所述核壳等离子体纳米结构材料中界定纳米间隙。上面已经讨论了分别可以包含在第一层和第二层中的合适的聚合物和金属的例子。
在一些实施例中，核壳等离子体纳米结构材料包括两个壳。这两个壳可以围绕着核并且形成为，使得第一壳的第一层直接设置在核上，第一壳的第二层直接设置在第一壳的第一层上；第二壳的第一层直接设置在第一壳的第二层上，以及第二壳的第二层直接设置在第二壳的第一层上。
从以上讨论可以得出，在核壳等离子体纳米结构材料包括三个壳的实施例中，第三壳的第一层可以直接设置在第二壳的第二层上，且第三层的第二层可以直接设置在第三壳的第一层上。
两个或多个壳中的每个第一层都可以在核壳等离子体纳米结构材料中界定纳米间隙。有利地，例如，通过改变每个第一层的厚度和/或第一层中包含的聚合物类型，可以根据具体应用来定制核壳等离子体纳米结构材料的等离子体特性。在各种实施例中，两个或多个壳中的每个第一层可以配置为使得其具有以下选项中的至少一种：(i)具有邻苯二酚基团的不同聚合物，(ii)不同厚度，或(iii)不同信号探针(当存在时)。同样地，两个或多个壳中的每个第二层可包括不同的金属。
在各种实施例中，至少一个壳围绕核同心地设置，例如图2c中所示。在一些实施例中，至少一个壳围绕核偏心地设置，例如图22a所示。
第二方面中的各种实施例涉及用于制备具有核和围绕核的至少一个壳的核壳等离子体纳米结构材料的方法。该方法可以包括提供纳米结构材料，并在纳米结构材料上形成包含具有邻苯二酚基团的聚合物的第一层，所述第一层在所述核壳等离子体纳米结构材料中界定纳米间隙，并在所述第一层上形成包含金属的第二层，从而在纳米结构材料上形成至少一个壳。
上面已经提到了可以用作核的合适的纳米结构材料。
在各种实施例中，通过在纳米结构材料上使具有邻苯二酚基团的聚合物的单体聚合来进行第一层的形成。这可以通过自聚合进行，例如在聚多巴胺的情况下，使得能够形成作为围绕纳米结构材料的壳的、具有邻苯二酚基团的聚合物。所述单体可以包含在ph为约7.1至约12，例如约7.1至约9.0的水溶液中。有利地，碱性条件可以诱导或促进单体的自聚合。为实现这一目的，可以将诸如tris缓冲溶液、bicine缓冲溶液和/或氨溶液的液体试剂添加到水溶液中。
可以使用任何合适的搅拌方法(例如搅拌、摇动、搅动和/或涡旋)将纳米结构材料分散在包含所述单体的溶液中。一般地，溶液中较高浓度的单体可能导致在核上形成较厚的聚合物层。聚合物的厚度还可取决于所存在的核的尺寸和/或数量。例如，在相同的单体浓度下，更大尺寸的核和/或更大数量的核可导致在核上形成具有更低厚度的聚合物层。在纳米结构材料上的单体的聚合可以进行任何合适的时间段，在该时间段内允许在纳米结构材料上形成聚合物。在各种实施例中，在纳米结构材料上的单体的聚合进行8h或更长的一段时间。
在一些实施例中，形成第一层还包括将信号探针共价键合到具有邻苯二酚基团的聚合物上。上面已经讨论了合适的信号探针的例子。在一些实施例中，存在于聚合物中的醌基团可以经历自发的迈克尔加成和/或希夫碱反应，因此拉曼探针(例如携带氨基基团的罗丹明b)可以通过迈克尔加成和/或席夫碱反应与聚合物结合。
本文公开的方法包括在第一层上形成包含金属的第二层。例如，可以将金属盐形式的金属前体添加到含有其上形成有聚合物的第一层的纳米结构材料的悬浮液中，使得聚合材料上的邻苯二酚基团可以将一价或二价金属离子还原为零价状态。如此，金属离子可以以金属形式沉淀在反应混合物中，从而在第一层上形成金属的第二层。
在各种实施例中，第二层中包含的金属是金?？梢允褂冒ń鹗艚鹧蔚慕鹧?，例如haucl4、kaucl4和/或naaucl4，在第一层上形成包含金属的第二层可以相应地包括在碱性条件下使第一层与金盐接触。
通过增加所用金盐的量，可以增加第二层中包含的金属的厚度。所形成的金属层可包括金纳米粒子或由金纳米粒子组成。金纳米粒子可以键合到聚合材料上的活性表面基团(例如羟基(-oh)和胺基(-nh2)基团)，然后将金纳米粒子保持在适当位置以在纳米结构材料上形成金属层。
在一些实施例中，金盐包括诸如碱金属金盐的金属金盐或由其组成。有利地，使用诸如kaucl4和/或naaucl4的金属金盐或碱金属金盐避免了与使用haucl4有关的问题，haucl4诱导导致邻苯二酚基团还原能力弱的酸性环境。这可能转化为导致第一层还原金盐而形成第二层的还原能力不足。haucl4还可能导致包含邻苯二酚基团的聚合物的降解，从而降低纳米间隙的质量，进而降低纳米结构材料的等离子体特性。
如上所述，聚合物上高密度的邻苯二酚基团赋予聚合物还原活性，促进原位成核并在其上沉积金属层。然而，可以添加诸如nh2oh·hcl、抗坏血酸和/或氢醌的还原剂，以促进反应混合物中的金属离子还原为其金属形式，从而在第一层上形成金属的第二层。是否包括还原剂的选择可取决于，例如，所用的金属前体，第一层中存在的邻苯二酚基团的量，和/或是否需要完全包封纳米结构材料(其上形成有聚合物的第一层)的第二层。
例如，在由于所形成的第一层薄而使得第一层中包含的邻苯二酚基团的数量少的实施例中，例如，可以添加还原剂以促进形成包封纳米结构材料(其上形成有聚合物的第一层)的第二层。作为另一个例子，即使如上所述的haucl4可以诱导导致邻苯二酚基团还原能力弱的酸性环境，但是添加还原剂可以允许形成包封纳米结构材料(其上形成有聚合物的第一层)的第二层。
还可以在进行第二层的二次或多次沉积以增加第二层的厚度的实施例中添加还原剂，因为第二层的多次沉积可能意味着第二层的第二次和随后的沉积没有在包含具有邻苯二酚基团的聚合物的第一层上进行，所述邻苯二酚基团可赋予聚合物还原活性。例如，可以将金属盐形式的金属前体与还原剂一起添加到含有核壳等离子体纳米结构材料的悬浮液中，使得还原剂可以将一价或二价金属离子还原成零价状态。如此，金属离子可以以其金属形式沉淀在反应混合物中，从而在核壳等离子体纳米结构材料上形成金属的第二层的另一涂层。
如上所述，核壳等离子体纳米结构材料可包含两个或多个壳。例如，可以将形成核壳等离子体纳米结构材料的核的纳米结构材料添加到含有具有邻苯二酚基团的聚合物的单体的混合物中，使得纳米结构材料可以用作种子，具有邻苯二酚基团的聚合物可以涂覆在该种子上。随后，可以通过将含有第一层的纳米结构材料添加到含有金属前体(例如，如上所述的金盐、金属金盐或碱金属金盐)的混合物中来形成包含金属并设置在第一层上的第二层，其中金属前体可以被聚合物上的邻苯二酚基团还原以形成第二层。通过将该过程重复一次或多次，可以在纳米结构材料上形成两个或多个壳。
在各种实施例中，形成两个或多个壳的每个第一层可包括利用以下选项中的至少一种来形成每个第一层：(i)具有邻苯二酚基团的不同聚合物，(ii)不同厚度，或(iii)不同信号探针(当存在时)。上面已经讨论了合适的聚合物和信号探针的例子。同样地，形成两个或多个壳的每个第二层可以包括形成具有不同金属每个第二层。
第三方面中的各种实施例涉及根据第一方面的核壳等离子体纳米结构材料或通过根据第二方面的方法制备的核壳等离子体纳米结构材料在传感、光电子学或治疗诊断学中的用途。
本文对本发明进行了广泛的一般性描述。在此广泛公开范围中的每种较窄的种类和亚属分类均构成本发明的一部分。这包括本发明中带有从属类中排除任何主题的附带条件或否定性限制的一般性描述，无论所去除的材料是否在本申请中具体列举。
其他实施例落入以下权利要求及非限制性示例的范围内。此外，当根据马库什(markush)组来描述本发明的特征或方面时，本领域的技术人员能够理解，由此也根据马库什组的任何单个成员或成员的亚组来描述本发明。
实验部分
各种实施例涉及新的平台策略，该策略在合成含有内置纳米间隙的等离子体纳米间隙的纳米粒子(nnps)方面提供前所未有的灵活性，这是一种对于广谱应用具有相当大兴趣的有趣类型的内部耦合等离子体纳米结构。
本文公开的平台策略基于使用贻贝激发的聚多巴胺(pda)来实现对nnps的结构和功能的前所未有的灵活调整。如图1中所示，pda由于其一系列独特的物理化学特性的支持可以提供多种协同功能，例如，作为纳米级隔离物以提供可控的纳米间隙尺寸，作为氧化还原活性涂层以促进金属壳生长，作为化学支架专门锁定纳米间隙内的分子探针用于高效的sers，以及作为可实现针对多功能性的定制结构整合的通用粘合剂。
首先，pda从水溶液沉积到几乎任何固体基质上，并且对几乎任何固体基质表现出强粘合特性，由于多巴胺的自聚合而形成具有精确控制的纳米级厚度的保形涂层。其次，高密度的邻苯二酚基团赋予pda还原活性，这有利于原位成核和金属层的沉积。第三，pda中的醌基团与亲核硫醇和氨基基团的自发迈克尔加成和/或希夫碱反应使得可以利用分子探针来编码纳米间隙用于sers和/或金属增强荧光。
重要的是，pda的广泛适用的粘附性能够方便地在不同尺寸、形状和化学组成的各种无机、有机和混合功能核上构建多个同心金属壳(图1)，例如au纳米结构，例如球形au纳米粒子、各向异性au纳米棒(aunr)、金属有机骨架(mofs)、磁性聚合物纳米粒子(magnps)以及含有磁性纳米粒子(magnps)的聚合物纳米珠。这反过来可能导致通过常规的湿化学合成不易获得的多间隙和多功能的nnps。
结果表明，贻贝激发的聚多巴胺的一组独特特征包括广泛适用的粘附性和各种化学反应性(还原活性和自发结合)，其使得能够在间隙尺寸和光学编码方面实现nnps的定制纳米间隙工程，从而导致宽调谐的光谱特性、高活性表面增强拉曼散射和高效光热转换。同样重要的是，基于聚多巴胺的策略可以合成轮廓分明的多间隙nnps和含有化学上不同核(即，磁性纳米粒子和金属有机骨架)的多功能混合nnps，这用传统方法无法获得并在光电子学和治疗诊断学等新兴领域具有很大的前景。
在概念验证研究中，发明人已经证明，生物结合的、sers编码的磁等离子体nnps导致高效的磁分离、超灵敏拉曼检测以及对常见的食源性病原体大肠杆菌(e.coli.)o157：h7的有效光热杀灭。
实施例1：材料与表征
多巴胺、柠檬酸钠、氯化钾金(iii)(kaucl4)、二羟乙基甘氨酸(bicine)、盐酸羟胺(nh2oh·hcl)、六水合氯化铁(iii)(fecl3·6h2o)、氯化亚铁(ii)(fecl2·4h2o)、氢氧化铵、油酸、十二烷基硫酸钠(sds)、苯乙烯、十四烷、过二硫酸钾(kps)、氯化锆(iv)(zrcl4)、对苯二甲酸(h2bdc)、乙酸、十六烷基三甲基溴化铵(ctab)、硝酸银(agno3)、硼氢化钠(nabh4)、4-硝基苯硫酚(ntp)和牛血清白蛋白购自sigmaaldrich。
甲醇(meoh)和n，n-二甲基甲酰胺(dmf)获得自fisherchemical。三水合四氯金酸(iii)(haucl4·3h2o)来自alfaaesar。使用sartoriusagarium系统纯化超纯水(18.2mω·cm)并用于所有实验。甲氧基-聚(乙二醇)-硫醇(peg-sh，5kda)和羧甲基-聚(乙二醇)-硫醇(hooc-peg-sh，3.4kda)购自laysanbio，inc。丽丝胺罗丹明b乙二胺(rhb-nh2)购自lifetechnologies。
在jeoljem2010电子显微镜上以300kv的加速电压进行透射电子显微镜(tem)观察。使用shimadzuuv1800分光光度计记录uv-可见光谱。在fluoromax-3光谱仪(horibascientific)上收集荧光光谱。使用flirt420热成像红外摄像机获得溶液的温度。使用具有wire2.0软件和发射谱线为632.8nm(最大能量：50mw)的空冷he-ne激光器的renishaw拉曼显微镜进行sers测量。激光光斑尺寸为2μm至5μm的激光束通过50×物镜聚焦。进行积分时间为15s的单次扫描。使用激光扫描共聚焦显微镜(具有airyscan的zeisslsm800)对细菌细胞进行成像。使用flirt420热成像红外摄像机获得囊泡分散体的红外热像图像。
实施例2：20nm金纳米粒子的合成
在水相中采用柠檬酸盐还原haucl4制备20nm的au纳米粒子。通常，在剧烈搅拌下将柠檬酸钠(92mg)di-水溶液(3ml)快速注入沸腾的haucl4水溶液(80ml水中含有8mghaucl4)中。沸腾30min后，将溶液冷却至室温。
实施例3：pda-涂覆的20nmau纳米粒子的合成(au@pda)
通常，将已合成的20nmau纳米粒子以7000rcf(相对离心力)离心15min。然后，将粒料再分散在2mlh2o中。将500μl浓缩的aunps样品分散在16ml的bicine缓冲液(ph8.5)中，然后加入不同量的多巴胺以实现相应的pda厚度。当20nmau纳米粒子的浓度为1.8nm时，加入0.02mg/ml、0.06mg/ml和0.18mg/ml的多巴胺分别产生厚度为2nm、5nm和13nm的pda。除了溶液中多巴胺的浓度之外，pda的厚度还可以取决于核(pda将沉积于其上)的尺寸和数量。一般地，在相同的多巴胺浓度下，更大尺寸的核或更大数量的核导致更薄的pda涂层。将反应溶液搅拌8h。通过离心纯化紫色产物，并在4℃下将其储存在2mlh2o中以供进一步使用。
实施例4：50nm金纳米粒子的合成
使用接种生长方法制备50nmaunps。简言之，将50ml水加入到100ml圆底烧瓶中。将含有实施例2制备的au纳米粒子的2ml种子aunp溶液和200μl0.2mnh2oh·hcl连续加入到该烧瓶中。然后，在剧烈搅拌下向溶液中滴加3ml0.1wt％haucl4，然后在室温下反应30min。观察到颜色从浅红色逐渐变为深红色。最后，将柠檬酸钠的浓度调节至1mm。再反应2h后，将纳米粒子分散体在4℃下储存以供进一步使用。
实施例5：pda-涂覆的50nmau纳米粒子的合成(au(50nm)@pda)
通常，将50nmau纳米粒子以1200rcf离心15min。然后，将粒料再分散在1mlh2o中。将浓缩的aunps分散在16ml的bicine缓冲液(ph8.5)中，然后加入多巴胺以实现所需pda厚度。将反应溶液搅拌8h，通过离心纯化紫色产物。
实施例6：金纳米间隙的纳米粒子(aunnps)的合成
通常，在50℃下将80μl的au@pda(0.6nm)加入2mlh2o中。搅拌2min后，注入100μl的2.5mmkaucl4，然后注入50μl的0.2mnh2oh·hcl。溶液的颜色立即从浅红色变为深紫色。将反应溶液搅拌2min。冷却后，将50μl的peg-sh(5kda，10mg/ml)添加到溶液中以进一步稳定纳米间隙的纳米粒子。最后，通过离心纯化产物。对于不同pda厚度的纳米间隙的纳米粒子，相应地改变au前体的量。
实施例7：多壳金纳米结构的合成
对于双壳nnps，单壳nnps用作核，并且可以重复上述程序以使au壳生长。通常，将au(50nm)@单壳分散在4ml的bicine缓冲液(ph8.5)中，然后添加多巴胺(0.1mg/ml)。将反应溶液搅拌8h，通过离心纯化所得到的au(50nm)@单壳@pda。接下来，将所得产物在50℃下添加到2mlh2o中。搅拌2min后，注入120μl的2.5mmkaucl4，然后注入60μl的0.2mnh2oh·hcl。将反应溶液搅拌2min并向溶液中添加50μlpeg-sh(10mg/ml)以进一步稳定双壳nnps。最后，通过离心纯化产物(au(50nm)@双壳)。在三壳nnps的合成中，将双壳nnps用作核。
实施例8：拉曼染料标记的aunnps的合成(au@pda@au)
通常，在连续搅拌下将au@pda纳米粒子分散在2ml的bicine缓冲液(ph8.5)中，然后添加0.5mg/ml的rhb-nh2溶液。反应24h后，通过离心收集au@pda-rhb纳米粒子并用去离子水洗涤三次。结合的染料的数量由上清液中未键合的rhb分子的荧光强度确定，并且可以通过rhb与au@pda的进料比来控制。例如，在au@pda-2的情况下，当进料比为300：1时，实现了68％的结合效率。这些拉曼染料标记的au@pda-rhb纳米粒子用作核以构造aunnps(au@pda-rhb@au)用于sers检测。
实施例9：增强因子(ef)的计算
通过使用以下等式计算rhb的sers与常规拉曼散射的比值来确定各个nnps的ef：ef＝(isers×c常规)/(i常规×csers)，其中isers和i常规为纳米间隙的au纳米粒子和纯rhb溶液在1647cm-1处的拉曼强度，csers和c常规为nnps和纯溶液中的rhb浓度。采用等式csers＝n×cau计算csers，其中n为nnps中的rhb数量。
实施例10：au纳米棒(aunr)的合成
采用种子介导方法来制备au纳米棒。通常，包括两个步骤。第一，如先前报道地合成金种子。将haucl4溶液(250μl，10mm)添加到十六烷基三甲基溴化铵(ctab)溶液(9.75ml，0.1m)中；然后，在剧烈搅拌下，注入新鲜制备的nabh4溶液(0.6ml，0.01m)。溶液颜色立即从黄色变为深棕色。搅拌5min后，将混合溶液(作为种子溶液)在室温下保持至少1h，然后将其用于下一步。第二，在生长溶液中合成au纳米棒。将haucl4溶液(500μl，10mm)添加到9.5ml的ctab溶液中。将混合溶液在40℃下温育10min。然后依次添加agno3溶液(0.1m)、盐酸多巴胺溶液(0.2m)和种子溶液。将所得生长溶液充分混合并在设定为40℃的水浴中保持不受干扰3h。
实施例11：pda-涂覆的au纳米棒(aunr@pda)的合成
通常，将au纳米棒以8500rcf离心15min。然后，将粒料再分散在1mlh2o中。将浓缩的aunrs分散在16ml的bicine缓冲液(ph8.5)中，然后加入多巴胺以实现所需pda厚度。将反应溶液搅拌8h，通过离心纯化深棕色产物。
实施例12：uio-66纳米粒子的合成
通过将4mmzrcl4和4mmh2bdc溶解在含有乙酸的二甲基甲酰胺(dmf)和etoh的混合物中来制备纳米尺寸的uio-66粒子。将反应瓶加盖并置于在100℃下预热的烘箱中12h。通过离心收集产物，然后分别用dmf和meoh洗涤三次。产物悬浮在meoh中。
实施例13：等离子体纳米间隙的uio-66纳米粒子的合成
通常，将10mluio-66分散在30ml的bicine缓冲液(ph8.5)中，然后添加10mg多巴胺。将反应溶液保持搅拌12h。通过离心纯化浅棕色产物(uio-66@pda)。然后，在50℃下将适量的uio-66@pda添加到10mlh2o中。搅拌2min后，注入1.2ml的2.5mmkaucl4，然后注入120μl的0.2mnh2oh·hcl。溶液的颜色立即从浅棕色变为蓝绿色。将反应溶液搅拌2min并向溶液中添加50μlpeg-sh(10mg/ml)以进一步稳定纳米间隙的纳米粒子。最后，通过离心纯化产物(uio-66@pda@au)。将该过程再重复一次，以获得等离子体间隙的纳米粒子(uio-66@pda@au@pda@au)。
实施例14：magnps的合成
通过乳液聚合制备聚苯乙烯捕获的磁性氧化铁纳米粒子(magnps)。在n2下，在80℃剧烈搅拌下，将fecl3·6h2o(2.4g)和fecl2·4h2o(0.982g)溶解在10ml去离子水中。然后，将5ml氢氧化铵快速添加到溶液中。溶液的颜色立即变成黑色。30min后，加入3ml油酸，并将悬浮液在80℃下保持1.5h。用水和meoh将获得的磁性纳米粒子洗涤直至ph变为中性。
将获得的磁性纳米粒子(0.5g)加入到含有10mg十二烷基硫酸钠(sds)的12ml水中，并用超声处理冰水浴中的混合物10min以获得磁性纳米粒子的细乳液。同时，使用5ml苯乙烯、50mgsds、40ml水和0.033ml十四烷制备苯乙烯乳液。
将磁性纳米粒子的细乳液和5mg过硫酸钾(kps)加入到三颈烧瓶中并在n2气氛中以500-600rpm搅拌30min。然后，将10ml苯乙烯乳液加入到混合物中，并将烧瓶置于80℃水浴中并保持20h以获得magnps。
用磁铁收集如此制造的magnps并再分散在h2o中，并且将收集-再分散循环重复三次，之后将magnps分散在10mlh2o中以供进一步使用。
实施例15：磁性nnps的合成
简言之，将50μlmagnp分散在16ml的bicine缓冲液(ph8.5)中，然后添加10mg多巴胺以实现所需pda厚度。将反应溶液保持搅拌8h。通过离心纯化深棕色产物(magnp@pda)并储存在1mlh2o中。为制造第一au壳，在50℃下将100μlmagnp@pda加入到10mlh2o中。
搅拌2min后，注入1.2ml的2.5mmkaucl4，然后注入1.2ml的0.2mnh2oh·hcl。
收集所获得的产物(magnp@pda@au)并将其进一步分散在bicine缓冲液中，以进行另一个pda涂覆和金属化循环。最终，溶液的颜色从棕色变为绿色。用双功能hooc-peg-sh(3.4kda)对得到的磁性nnps进行表面修饰。
实施例16：磁性nnps的表面修饰
通过离心收集磁性nnps并将其分散在5ml2-(n-吗啉)乙磺酸(mes)缓冲液(ph5.5)中。为了活化这些粒子表面的羧酸基团，将0.2ml1-乙基-3-(3-(二甲基氨基)丙基)碳二亚胺(edc，5mg/ml)和磺基-n-羟基琥珀酰亚胺(nhs，5mg/ml)添加到溶液中并温育30min。
通过离心除去过量的edc和nhs。然后，将硼酸盐缓冲液(ph8.0)中的检测单克隆抗体(8b1-c2-b1)(30μg/ml)快速加入到活化粒子中，并在室温下轻轻搅拌3min。最后，向混合物中加入1ml牛血清白蛋白(bsa)溶液(2mg/ml)以封闭未反应的位点1h。通过离心除去游离反应物。使用前，将生物结合的磁性nnps在4℃下储存。
实施例17：细菌培养
在使用前，将大肠杆菌o157：h7(atcc43888)和其他细菌在luria-bertani培养基中于37℃下培养20h。通过平板计数确定活细胞数量。用0.3％甲醛处理细胞24h以杀死所有细菌。以4000rpm离心收集灭活的细菌，并在0.01m磷酸盐缓冲盐水(pbs)(ph7.4)中重悬。最后，用0.01mpbs(ph7.4)将这些细菌连续稀释至期望浓度以供进一步使用。
实施例18：使用磁性nnps检测并光热杀死大肠杆菌o157：h7
将25μl量的抗体结合的磁性nnps(0.5mg/ml)加入到1ml含有10、102、103、104、105、106、107和108cfu/ml大肠杆菌o157：h7或其他细菌的样品中。将混合物轻轻摇动30min，并置于磁场中10min以将大肠杆菌o157：h7的免疫复合物与磁性nnps分离。将50μlpbs中的复合物加入到捕获抗体(10c5-h3-b6)-固定的96孔微量滴定板中，并在室温下温育30min。然后用含有0.05％吐温20的0.01mpbs(ph7.4)将板洗涤三次。然后将板置于拉曼显微镜下，使用50mw的激光功率在800至1800cm-1的范围内进行光谱采集。使用ntp在1341cm-1处的峰强度相对大肠杆菌o157：h7(10至108cfu/ml)的浓度绘制校正曲线。通过将捕获的细菌暴露于808nm激光(1w/cm2)15min来进行光热处理。通过红外摄像机监测温度。在黑暗中用live/deadbaclight细菌活力试剂盒对细菌进行染色15min，然后使用激光扫描共聚焦显微镜进行成像。
实施例19：nir激光诱导的光热转换
通过808nm的激光以1w/cm2的功率密度对具有相同粒子浓度(1nm)或光密度(ods)(1.0)的纳米间隙的au纳米粒子的水溶液照射5min。调节激光光斑以覆盖样品的整个表面。记录水溶液的温度升高作为其暴露于激光照射的时间的函数。通过flir热成像摄像机以30s的间隔拍摄温度和热像图。
实施例20：结果和讨论
多巴胺在碱性条件下经历连续氧化、分子内环化和低聚/自组装，导致形成高度交联的粘合剂pda，其能够在具有各种表面组成的胶体粒子上形成保形涂层。
发明人已经发现，可以通过多巴胺的起始浓度来控制pda涂层在柠檬酸盐稳定的au纳米粒子上的沉积。透射电子显微镜(tem)图像(图2a以及图3a至3d)清楚地显示，在bicine缓冲液(ph8.5)中反应8h后产生了单分散的pda涂覆的au纳米粒子(au@pda)(pda厚度为2至13nm)，多巴胺浓度为0.025至0.2mg/ml。请注意，尽管在一个反应循环中pda厚度最终达到13nm，但是通过实施多个涂覆循环可以使pda厚度进一步增加到几十纳米(图4a至4d)。
pda携带了高密度的邻苯二酚基团，其可以诱导金属前体的局部还原。本文获得的结果表明，在50℃下在au@pda存在下连续添加kaucl4和nh2oh产生了轮廓分明的aunnps(图2d至2f)。这里的一个重要发现是，nnps的纳米间隙尺寸与au@pda中pda涂层的厚度相匹配，再加上pda厚度灵活可调，使得可以在宽范围内系统地定制纳米间隙尺寸。显然，通过邻苯二酚基团进行aucl4-离子的络合和还原可以促进原位成核，这限制了随后au壳在pda层表面上的生长。
通过在反应期间在1min内快速完成比色变化支持了该分析，这是本文所讨论的lspr变化的结果。扫描电子显微镜(sem)观察(图5a至5d)显示，当引入增加量的kaucl4前体时，该过程中分离的结构域的连续生长导致形成完整的壳。
这与使用haucl4形成对比，haucl4可能导致pda降解而不是经历局部还原。发明人推断，使用haucl4而非kaucl4诱导了酸性环境，在该环境下邻苯二酚基团的还原能力弱。重要的是，pda的广泛适用的粘附性使得这种基于pda的策略与不同尺寸、形状和表面化学的纳米粒子相容。
更有趣的是，本文提出的策略使得能够获得由围绕核的多个同心纳米壳组成的多间隙nnps。首先在具有13nm纳米间隙的50nmau纳米粒子上制备nnps(图2g和图6)。通过重复pda涂覆和金属化的循环，获得具有两个或三个等离子体壳的nnps，如图2h、2i以及图7a和7b所示。理论上预测这种多间隙nnps会起到一系列光学聚光器的作用，以将光引向其结构的中心，从而在纳米粒子核与其相邻壳之间的间隙中诱导显著放大的局部场。因此，发明人的基于pda的方法通过在间隙尺寸和壳数量方面对多间隙nnps的结构提供灵活控制，为深入的实验研究提供了有趣的机会。
等离子体纳米结构的lspr对结构参数和局部介电环境的变化高度敏感。对于pda涂层厚度分别为2、5和13nm，20nm的au纳米粒子的lspr中心由原始的522nm逐渐红移至530、538和548nm(图8a)，这是由于pda的折射率大于水的折射率。由于紧密排列的核与壳的强烈耦合，具有2nm间隙的aunnps显示出进一步的光谱移位至575nm(图8b)。当间隙扩展到5和13nm时，在750nm附近出现了新的共振峰，并且由于较大的au壳的消光系数较大，新的共振峰在具有13nm间隙的nnps中占优势。类似地，在结构为50nm核、13nm间隙和15nm壳的nnps的情况下，核与壳的等离子体模式的杂化在610和823nm处产生两个分离的峰(图8c)，其中双壳nnps的峰进一步红移，并最终在三壳nnps中趋于平稳，从而覆盖几乎整个可见光和nir光谱范围。与sem观察一致(图5a至5d)，当au壳在生长期间逐渐闭合时，823nm处出现弱肩峰(图9)并发展成明显的强峰。等离子体纳米结构周围的受限电磁场在其紧密接近的分子的sers中起主导作用。由小于5nm的纳米间隙结分隔开的强耦合等离子体纳米结构导致在纳米间隙中的产生显著放大的局部场，代表高效的sers热点。
虽然已经提出了许多化学和自组装方法来产生纳米间隙，但是大多数以前的方法缺乏将分子探针精确定位在热点内的能力，而是依赖于探针的随机扩散，这对于在定量检测中使用sers纳米探针来说具有重大挑战。在本文公开的设计中，亲核硫醇和胺基基团与pda中的醌基团的自发共价耦合(图10a和10b)为sers活性纳米间隙内的稳定的量化的分子固定提供了机会。在au纳米壳沉积之前，选择带有伯胺基团的罗丹明b(rhb)作为模型拉曼探针并标记在pda层上。锚定的rhb分子的数量可以由rhb和纳米粒子核的进料比来控制。
图8d示出了含有平均约200个rhb分子的nnps和对照样品在633nm激光激发下的拉曼光谱。8.8×107的增强因子证实了具有2nm纳米间隙的nnps具有优异的sers活性，而对于间隙为5和13nm的nnps，其增强因子分别降至2.0×107和9.6×106。将所制备的sers编码的nnps在水培养基中温育不会导致拉曼强度随时间发生任何明显变化，表明共价键和完整的au壳将rhb标记锁定在纳米间隙内。
同样重要的是，拉曼强度显示出对附着的rhb分子数量的线性相关性(图11)，使得定量地定制拉曼信号成为可能。此外，所制备的探针的拉曼强度在水培养基中保持恒定(图12a和12b)，表明拉曼标记被共价键和完整的au壳锁定在纳米间隙内。相反，在纳米间隙中未负载rhb探针的nnps在相同条件下仅显示出无特征的背景光谱(图24)。对照纳米粒子，即无纳米壳的rhb标记的au@pda纳米粒子，也表现出可忽略的信号(图8d)，这突显了纳米间隙热点的重要性。
pda的广泛适用的粘附性为在不同尺寸、形状和组成的纳米粒子上生长au壳提供了可能性。图13a至13f显示了以aunrs和mof纳米晶体为模板的nnps。pda涂层的刚性和保形性质导致产生保持着纳米晶核形状的各向异性nnps。当使用细长的aunrs作为核时，可以容易地生产出椭圆形的nnps(图13a至13c，图14a和14b)。
发明人还研究了具有非金属核(即具有轮廓分明的形状的mof纳米晶体)的aunnps的杂化类似物的合成。当选择由1,4-苯二甲酸(h2bdc)作为有机连接剂和锆(iv)作为金属节点而形成的八面体uio-66纳米晶体(图13d)作为mof核时，可以容易地在mof核上形成完整的八面体au壳(图13e)。此外，两个相邻金属纳米壳之间的等离子体纳米间隙(图13f、图14a和14b)是在pda涂覆和金属化的另一个循环之后产生的，证明了本策略在纳米间隙工程和结构整合中具有灵活性。
pda涂层与各种核材料的相容性进一步促使发明人开发具有磁性核和双壳等离子体纳米间隙的多功能nnps。磁性纳米材料在生物分离和生物成像中的应用是转译生物纳米技术的代表性例子。赋予nnps磁性能导致磁等离子体纳米结构对生物传感、治疗诊断学和催化应用具有相当大的意义。
图15a至15d、图16a至16b以及图25a至25c中的tem图像证实，本文公开的合成方案也适用于磁性聚苯乙烯纳米粒子。15nmau纳米壳的两个连续层的生长导致在磁性核周围形成均匀的纳米间隙(图15a和15b)。得到的nnps保留了核的磁响应并且可以通过外部磁铁容易地收集，如图15b的插图所示。magnps和pda涂覆的magnps在可见-nir区域中显示出宽的吸光度(图15c)。当构建了第一au壳时，在834nm处出现强lspr峰。au壳上的pda涂层导致红移至868nm。在第二au壳生长之后，lspr甚至变得更宽，覆盖了400和1100nm之间的整个可见和nir光谱范围(图15c)。在亚5nm纳米间隙中引入拉曼标记(即4-硝基苯硫酚(ntp))产生了比仅有一个au壳的magnp@pda@au强5.4倍的拉曼信号(图15d)，由于ntp能够通过au-s键锚定在au纳米壳上，这也导致强信号放大。请注意，将拉曼标记锁定在纳米间隙内可将其与来自周围环境的干扰因素隔离开来，这对于定量检测至关重要。
sers编码的磁等离子体nnps提供了将磁分离、用于超灵敏检测的拉曼光谱与光热转换结合的可能性。作为概念验证，发明人将nnps应用于常见的食源性细菌病原体(即大肠杆菌o157：h7)的定量免疫测定(图17a至17c)。对大肠杆菌o157：h7特异性的两种抗体分别附着在聚乙二醇化的nnps和被牛血清白蛋白封闭的96孔微量滴定板上。
在测定中(图17a)，首先将抗体结合的磁性nnps引入到含有加标的(spiked)大肠杆菌o157：h7的样品中，样品在nnps与细菌结合后被磁性捕获并富集(图18a和18b)。然后将标记的细菌暴露在抗体涂覆的基质中。最后，对具有固定化细菌的基质进行sers编码的nnp探针的拉曼检测。所获得的结果(图17b)显示，sers强度在10至108cfu/ml的细菌浓度范围内以高灵敏度(约102cfu/ml)逐渐增加。如图17c所总结，相同浓度的缓冲液对照(pbs和luria-bertani培养基)和其他细菌如大肠杆菌o6、肠炎沙门氏菌(s.enterica)atcc13311、铜绿假单胞菌(p.aeruginosa)pa01和粪肠球菌(e.faecalis)atcc29212均产生可忽略的信号。显然，抗体的高特异性和表面封闭策略在免疫夹心测定中产生了良好的选择性。
磁等离子体nnps也是一种高效的光热转换器，其导致在激光照射5min后温度快速升高39.5℃，如图19所示。采用使用syto9和碘化丙啶(pi)的混合物进行荧光染色的baclight试剂盒的活/死分析显示，在激光照射15min后仅观察到用红色pi染料标记的死细菌(图20a和20b)，这证实了通过磁性nnps的光热效应杀死了近100％的细菌。与先前报道的平台相比，该项工作中的磁等离子体nnps不仅能够通过集体磁富集和良好的sers活性高度灵敏地检测病原体，而且还导致通过nnps的光热效应有效杀死分离的病原体。nnps中各种功能核的简单结构整合使得开发多功能等离子体纳米结构成为可能，这对于诊疗纳米医学中的新兴应用特别有意义。
总之，发明人已经开发出一种使能平台技术，其在定制等离子体nnps的光学特性和结构多样性方面提供非凡的灵活性。发明人已经证明，pda涂层的粘附性和反应性使得能够合理设计具有功能性核和具有期望间隙尺寸的光学编码纳米间隙的定制组合的、宽光谱的nnps。所得到的多间隙nnps代表支持等离子体杂化的优异模型系统。更重要的是，光学活性多功能nnps在表面增强光谱学、生物传感、纳米医学和光催化方面具有巨大潜力。
实施例21：au@pda@agnanomatryoshkas的合成
通常，将80μlau@pda加入到2ml50℃的h2o中。搅拌2min后，注入75μl的2.5mmkaucl3，然后注入100μl的0.2mnh2oh·hcl。溶液的颜色立即从浅红色变为棕色。将反应溶液搅拌2min。冷却后，将50μl的peg-sh(10mg/ml)添加到溶液中以进一步稳定nanomatryoshkas。最后，通过离心纯化产物。图21a是显示au@pda和au@pda@agnanomatryoshkas的紫外光-可见光光谱的图，图21b是au@pda@agnanomatryoshkas的tem图像。
实施例22：对称性破缺
对称性破缺的影响是等离子体领域的一个重要研究课题。对于尺寸小于入射光波长的等离子体纳米结构，只有具有有限偶极矩的等离子体才能被激发。在对称纳米壳的情况下，金属壳内的介电核的位移可以容易地诱导对称性破缺。这使得等离子体纳米结构具有高阶多极模式的偶极活性，因此在纳米粒子的光谱中可见。同时，与对称纳米结构相比，非对称纳米结构可以产生更大的电磁场增强。特别有趣的是，对称性破缺导致由窄暗模式与宽亮模式的相互作用引起的fano共振。对于强相互作用和近简并能级，这种耦合可以导致等离子体诱导的纳米结构的透明性。
本文公开的用于具有定制核位置的纳米间隙的纳米结构的简单策略使得具有不同多极序的等离子体模式之间能够进行耦合(图22a和22b)，从而产生可调谐的fano共振。它对于广泛应用具有巨大潜力，例如用于化学或生物分析传感的超灵敏介质，以及新型光学开关，干涉仪，纳米天线和其他装置。
实施例23：多壳纳米间隙的纳米粒子
拉曼分子可成功定位于纳米间隙中，具有增强的sers信号。此外，完整的壳避免了由拉曼分子的解吸附或随机聚集诱导的热点引起的可能的信号波动。因此，高度均匀的sers信号可以从每个纳米间隙的纳米结构得以重现?；谡庑┯诺?，通过增加壳的数量和通过改变不同纳米间隙中的拉曼分子，可以进一步容易地调节拉曼强度和复杂的光谱轮廓。
通过本文公开的策略可以容易地设计和制造出这些具有改进的拉曼信号和编码能力的多壳纳米间隙的纳米粒子。由此产生的sers探针为多重基于sers的生物传感和生物成像开辟了新的机会。
实施例24：多功能纳米间隙的纳米粒子
pda涂层与不同核材料的相容性进一步使功能核能够与等离子体纳米间隙整合，从而实现多功能nnps。例如，通过引入磁性氧化铁核赋予nnps磁性能，导致磁等离子体纳米结构对生物传感、治疗诊断学和催化应用具有相当大的意义。作为概念验证，通过将磁分离和用于超灵敏检测的拉曼光谱以及光热转换结合，设计出了一种新型的sers编码的磁等离子体nnps，用于常见的食源性细菌病原体(即大肠杆菌o157：h7)的定量免疫测定(图17a)。
还可以引入其他功能性核，例如荧光量子点和介孔金属有机骨架，用于更广泛的应用。
实施例25：光热疗法
等离子体纳米结构的激发lspr通过光散射和散热来释放能量。等离子体纳米结构的光热转换特性使其成为用于光热疗法(ptt)的引人注目的转换器，光热疗法作为一种非侵入性治疗方法，正处于激烈研究中。nnps的内部等离子体耦合将lspr移动到nir光谱范围(图8a和8b)，由于具有更大的组织穿透深度，这对于临床转译是十分必要的。
如图23所示，相同浓度(1.0nm)的nnps(核为20nm)在808nm激光激发下均导致温度快速升高。具有更大间隙的nnps吸收效率更强，导致加热效率更好，具有5和13nm纳米间隙的nnps在照射6min后达到47.9℃和57.7℃。最近，作为ptt的潜在候选者，也对基于pda的纳米粒子进行了研究。然而，本文获得的结果证明，在该研究中使用的浓度的au@pda仅提供了2.1℃的最大温度升高，表明等离子体纳米材料具有更好的特性。
尽管本发明中描述了具体细节并引用了其示例实施例，但是本领域技术人员可以理解，可以在不脱离本发明如下列权利要求所限定的范围和思路的前提下，对本发明进行形式和细节上作各种改变。
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