学术

近期，我校生物工程学院周楠迪教授团队在表面增强拉曼散射（SERS）增强机制调控方面取得重要进展，研究成果“Beyond the Tip Effect: Geometrically Symmetric Gold Nanostars Achieve Uniform Hotspots for Quantitative Hydrogen Sulfide Detection”正式发表于Small。

SERS技术因其超高灵敏度与分子指纹识别能力，在环境监测、生物分析及食品安全等领域具有重要应用前景。然而，传统金纳米基底主要依赖尖端效应产生局域电磁增强，热点集中于个别尖端区域，导致增强强度高度依赖结构微小差异，信号重复性和可控性不足，成为制约SERS实现精准定量分析的核心瓶颈。

围绕这一科学挑战，周楠迪教授团队首先通过精细调控晶体外延生长动力学，成功构建了三种尺寸（S-GNSs₁₆₃、S-GNSs₂₀₀和S-GNSs₂₈₇）的几何对称金纳米星结构，其特征为多尖端长度、曲率及空间分布高度一致。相较于形貌不规则的传统纳米星，该结构在整体空间几何上呈现高度对称性，显著降低了尖端形貌的个体差异，为实现增强性能的可控输出奠定了结构基础（图1）。进而，研究团队系统解析了结构参数与电磁增强行为之间的内在关联。通过定量计算尖端曲率半径，并结合COMSOL电磁场模拟，比较了不同尖锐度对局域电场强度的影响。结果表明，尖端曲率减小（即结构更加尖锐）可显著提升局域电场增强强度，验证了尖端效应对增强能力上限的决定作用。进一步对比几何对称与非对称金纳米星的电磁场分布发现，非对称结构的增强高度集中于个别尖端，而对称结构在多个尖端区域形成强度接近的电场分布，实现了热点空间均一化。为验证这一机制，研究团队将拉曼信号分子4-硝基苯硫酚（4-NTP）分别修饰于S-GNSs₂₈₇及同尺寸非对称金纳米星（GNSs₂₈₈），系统比较了4-NTP拉曼特征峰（1344 cm^-1）信号强度。结果显示，对称结构的相对标准偏差（RSD）显著降低，颗粒间一致性明显提升（图2）。上述结果表明，尖端曲率决定增强强度上限，而结构对称性主导增强稳定性边界，二者协同构建了兼具高灵敏度与高重复性的SERS增强体系。

基于4-NTP与H₂S的特异性反应，研究团队进一步利用S-GNSs₂₈₇的信号稳定性优势，开发了一种功能性SERS探针，用于高灵敏度、高可靠性地检测H₂S。该SERS探针实现了0.21 µM的低检测限和5–500 µM的宽线性范围，并展现出优异的选择性和稳定性（图3）。在实际样品验证中，该探针成功应用于商业葡萄酒和啤酒中H₂S的检测，回收率为97.88%–100.86%，相对标准偏差为0.51%–2.12%，充分证明了其在复杂食品基质中的实用潜力。

上述研究工作中，江南大学23级博士王赟为论文第一作者，王晓丽副教授为论文的通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金项目（32371430，62301234，42477491）资助。

近年来周楠迪教授团队在核酸适配体的筛选优化和应用、分子诊断技术、新型纳米生物传感器的研制、智能纳米器件的构建和应用、POCT产品研制、食品风味分析和安全检测、发酵过程中代谢物监测等方面取得丰硕成果，相关成果发表在Analytical Chemistry、Biosensors and Bioelectronics、ACS Applied Materials & Interfaces、Sensors and Actuators B: Chemical、Food Chemistry、Journal Agricultural and Food Chemistry等本领域权威期刊。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202513221。

图1三种不同尖锐度对称金纳米星的结构和光学特性。S-GNSs₁₆₃、S-GNSs₂₀₀和S-GNSs₂₈₇的(A-C) FESEM图；（D-F） TEM图；（G-I） 粒径直方图；（J-L） 紫外可见光谱图

图2三种不同尖锐度对称金纳米星的SERS增强机制探索。使用Digital Micrograph软件对（A）S-GNSs₁₆₃、（B）S-GNSs₂₀₀和（C）S-GNSs₂₈₇的尖端弧长直径进行归一化处理后的尺寸标度；通过COMSOL软件模拟得到（D）S-GNSs₁₆₃、（E）S-GNSs₂₀₀、（F）S-GNSs₂₈₇和（G）GNSs₂₈₈基底的电磁场强度分布图；在10×10 μm²区域内441个点测量的（H）S-GNSs₂₈₇@4-NT 和（I）GNSs288@4-NTP基底在1344 cm^-1处的拉曼强度热图

图3 S-GNSs₂₈₇@4-NTP对H₂S检测的检测性能。 S-GNSs₂₈₇@4-NTP与不同浓度Na₂S（0.01-500 μM）反应后的（A）拉曼光谱和（B）1344 cm⁻¹处的拉曼强度；（I）1344 cm⁻¹处的拉曼强度与Na₂S浓度的对数之间的线性关系。误差条为平均值±标准差（n = 3）