近日，華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院張金龍教授課題組和曹宵鳴教授課題組合作，在表面增強拉曼光譜(SERS)領(lǐng)域獲得最新進展。相關(guān)研究以《提高半導(dǎo)體基底的電磁場增強能力用于非吸附分析物的SERS檢測》為題發(fā)表于《化學(xué)》。
SERS具有超高檢測靈敏度，因此在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。開發(fā)低成本、高活性SERS基底是該領(lǐng)域的研究熱點。目前，常見的貴金屬SERS基底主要通過電磁機制，增強分析物分子的SERS信號，因此具有極高的檢測靈敏度，但其缺點是化學(xué)性質(zhì)活潑、制備繁瑣、價格昂貴。相較而言，半導(dǎo)體SERS基底化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、制備方便、成本低廉，但絕大多數(shù)半導(dǎo)體SERS基底需要分析物分子吸附在半導(dǎo)體基底表面。因此，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體SERS技術(shù)只能用于極少分子(染料分子、硫醇分子等)，這極大地限制了半導(dǎo)體SERS技術(shù)的應(yīng)用。
近期，有研究報道發(fā)現(xiàn)，Ta2O5、ZnO和SnO2-NiOx等半導(dǎo)體SERS基底同樣能通過電磁增強機制提升分析物分子的SERS信號。不同于化學(xué)增強機制，電磁增強機制可以作用于距SERS基底表面一定范圍內(nèi)的吸附性/非吸附性分析物分子。然而，相較于貴金屬SERS基底，半導(dǎo)體SERS基底的電磁增強能力極弱。因此，提高半導(dǎo)體SERS基底的電磁增強能力是拓展半導(dǎo)體SERS技術(shù)應(yīng)用前景的關(guān)鍵。
在該項工作中，研究團隊設(shè)計并制備了具有次級結(jié)構(gòu)的ZnO納米粒子，通過在其外表面包覆ZIF-8殼層，提升了ZnO納米粒子的電磁增強能力，實現(xiàn)了6種非吸附性有機化合物(VOCs)的低濃度檢測，檢測極限可與貴金屬SERS基底相當。
研究發(fā)現(xiàn)，在這種表面包覆結(jié)構(gòu)不僅可以富集大量VOC分子，還可以改變ZnO表面的折射率，從而有效抑制電磁場在ZnO納米粒子表面隨距離的衰減。這進一步拓展了電磁增強機制在ZnO納米粒子表面的作用范圍，使更多富集在ZIF-8殼層中的信號得到電磁增強，從而實現(xiàn)VOC分子的低濃度檢測。
此外，密度泛函理論(DFT)計算同時表明，這種結(jié)構(gòu)可以通過空間位阻效應(yīng)阻礙VOC分子與ZnO之間形成化學(xué)鍵，避免兩者可能存在的電荷轉(zhuǎn)移，從而排除了化學(xué)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(dǎo)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(dǎo)體SERS基底的設(shè)計和應(yīng)用有著重要的意義。（文章整理自網(wǎng)絡(luò)，由制氮機設(shè)備發(fā)布。）
