近日，華東理工大(da)學化學與分子工程學院張金龍教授課(ke)(ke)題(ti)組和曹宵鳴教授課(ke)(ke)題(ti)組合作，在表(biao)面增強(qiang)拉(la)曼光譜(SERS)領域獲得(de)最新(xin)進展。相(xiang)關(guan)研究以《提高半導(dao)體基底的(de)電(dian)磁(ci)場增強(qiang)能力用于非吸附分析物(wu)的(de)SERS檢測》為(wei)題(ti)發(fa)表(biao)于《化學》。
SERS具有超高檢測(ce)靈(ling)敏(min)度(du)，因(yin)此在多個(ge)領域得到廣(guang)泛(fan)應用(yong)。開(kai)發低成(cheng)本、高活性(xing)SERS基底(di)(di)(di)是該領域的(de)研究(jiu)熱點。目(mu)前，常見(jian)的(de)貴(gui)金屬SERS基底(di)(di)(di)主要(yao)通過電磁機(ji)制(zhi)(zhi)，增強(qiang)分(fen)(fen)析物分(fen)(fen)子(zi)(zi)的(de)SERS信號，因(yin)此具有極高的(de)檢測(ce)靈(ling)敏(min)度(du)，但其缺點是化學性(xing)質活潑、制(zhi)(zhi)備繁瑣、價格(ge)昂貴(gui)。相較(jiao)而言，半導(dao)體SERS基底(di)(di)(di)化學性(xing)質穩定、制(zhi)(zhi)備方便、成(cheng)本低廉，但絕大多數半導(dao)體SERS基底(di)(di)(di)需要(yao)分(fen)(fen)析物分(fen)(fen)子(zi)(zi)吸附在半導(dao)體基底(di)(di)(di)表(biao)面。因(yin)此，傳統的(de)半導(dao)體SERS技(ji)術(shu)只能用(yong)于極少分(fen)(fen)子(zi)(zi)(染料分(fen)(fen)子(zi)(zi)、硫醇分(fen)(fen)子(zi)(zi)等)，這極大地限制(zhi)(zhi)了半導(dao)體SERS技(ji)術(shu)的(de)應用(yong)。
近期，有研究報道發現，Ta2O5、ZnO和(he)SnO2-NiOx等(deng)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體SERS基(ji)底同樣(yang)能(neng)(neng)通過(guo)電磁(ci)增(zeng)(zeng)強(qiang)機制(zhi)提(ti)升分(fen)析(xi)物分(fen)子的SERS信(xin)號。不(bu)同于化學增(zeng)(zeng)強(qiang)機制(zhi)，電磁(ci)增(zeng)(zeng)強(qiang)機制(zhi)可以作(zuo)用于距SERS基(ji)底表(biao)面一定范圍內的吸(xi)附(fu)性/非吸(xi)附(fu)性分(fen)析(xi)物分(fen)子。然而，相較于貴金屬SERS基(ji)底，半(ban)(ban)導(dao)(dao)體SERS基(ji)底的電磁(ci)增(zeng)(zeng)強(qiang)能(neng)(neng)力(li)極(ji)弱。因此，提(ti)高半(ban)(ban)導(dao)(dao)體SERS基(ji)底的電磁(ci)增(zeng)(zeng)強(qiang)能(neng)(neng)力(li)是拓展(zhan)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體SERS技術(shu)應用前景的關鍵。
在該項工作中，研究團隊設計并制(zhi)備(bei)了具有次級結(jie)構的(de)ZnO納米(mi)粒子，通(tong)過在其外(wai)表面包(bao)覆(fu)ZIF-8殼層，提升了ZnO納米(mi)粒子的(de)電磁(ci)增強能力(li)，實(shi)現了6種非(fei)吸附性有機化合物(VOCs)的(de)低濃度(du)檢(jian)(jian)測，檢(jian)(jian)測極限可與貴金屬(shu)SERS基(ji)底(di)相當。
研(yan)究(jiu)發(fa)現(xian)，在這(zhe)種表(biao)(biao)面(mian)包覆結構(gou)不僅(jin)可(ke)以(yi)富(fu)集大(da)量VOC分子，還可(ke)以(yi)改變ZnO表(biao)(biao)面(mian)的(de)折射(she)率(lv)，從而有效抑制電磁(ci)(ci)場在ZnO納米粒子表(biao)(biao)面(mian)隨(sui)距離的(de)衰減。這(zhe)進(jin)一步(bu)拓展了電磁(ci)(ci)增(zeng)強機制在ZnO納米粒子表(biao)(biao)面(mian)的(de)作用(yong)范圍(wei)，使更多富(fu)集在ZIF-8殼層(ceng)中的(de)信號得(de)到(dao)電磁(ci)(ci)增(zeng)強，從而實現(xian)VOC分子的(de)低濃(nong)度檢測。
此外，密度泛函理論(DFT)計算同時表明，這種結構可以通過空間位阻效應阻礙VOC分子與ZnO之間形成化學鍵，避免兩者可能存在的電荷轉移，從而排除了化學增強機制的影響。因此，在該研究中電磁增強機制是VOC分子SERS信號得到增強的唯一作用機制。該研究表明半導體SERS基底的電磁增強能力可以通過包覆MOF材料得到顯著提高，這對未來半導體SERS基底的設計和應用有著重要的意義。（文(wen)章(zhang)整理(li)自網絡，由制氮機設備發布。）
