【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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(qiáng)拉曼光譜(SERS)領(lǐng)域獲得最新進(jìn)展。相關(guān)研究以《提高半導(dǎo)體基底的電磁場(chǎng)增強(qiáng)能力用于非吸附分析物的SERS檢測(cè)》為題發(fā)表于《化學(xué)》。
表面包覆結(jié)構(gòu)示意。 華東理工大學(xué)供圖
SERS具有超高檢測(cè)靈敏度，因此在多個(gè)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(diǎn)。目前，常見的貴金屬SERS基底主要通過(guò)電磁機(jī)制，增強(qiáng)分析物分子的SERS信號(hào)，因此具有極高的檢測(cè)靈敏度，但其缺點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)活潑、制備繁瑣、價(jià)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(bào)道發(fā)現(xiàn)，Ta2O5、ZnO和SnO2-NiOx等半導(dǎo)體SERS基底同樣能通過(guò)電磁增強(qiáng)機(jī)制提升分析物分子的SERS信號(hào)。不同于化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制，電磁增強(qiáng)機(jī)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(qiáng)能力極弱。因此，提高半導(dǎo)體SERS基底的電磁增強(qiáng)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(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了具有次級(jí)結(jié)構(gòu)的ZnO納米粒子，通過(guò)在其外表面包覆ZIF-8殼層，提升了ZnO納米粒子的電磁增強(qiáng)能力，實(shí)現(xiàn)了6種非吸附性有機(jī)化合物(VOCs)的低濃度檢測(cè)，檢測(cè)極限可與貴金屬SERS基底相當(dāng)。
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(chǎng)在ZnO納米粒子表面隨距離的衰減。這進(jìn)一步拓展了電磁增強(qiáng)機(jī)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(hào)得到電磁增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)VOC分子的低濃度檢測(cè)。
此外，密度泛函理論(DFT)計(jì)算同時(shí)表明，這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)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(qiáng)機(jī)制的影響。因此，在該研究中電磁增強(qiáng)機(jī)制是VOC分子SERS信號(hào)得到增強(qiáng)的唯一作用機(jī)制。該研究表明半導(dǎo)體SERS基底的電磁增強(qiáng)能力可以通過(guò)包覆MOF材料得到顯著提高，這對(duì)未來(lái)半導(dǎo)體SERS基底的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有著重要的意義。
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