近日，華東理工大學化學與分子工程學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）領域獲得最新進展。相關研究以《提高半導體基底的電磁場增強能力用于非吸附分析物的SERS檢測》為題發表于《化學》。

 

表面包覆結構示意。      華東理工大學供圖

 

SERS具有超高檢測靈敏度，因此在多個領域得到廣泛應用。開發低成本、高活性SERS基底是該領域的研究熱點。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，但其缺點是化學性質活潑、制備繁瑣、價格昂貴。相較而言，半導體SERS基底化學性質穩定、制備方便、成本低廉，但絕大多數半導體SERS基底需要分析物分子吸附在半導體基底表面。因此，傳統的半導體SERS技術只能用于極少分子（染料分子、硫醇分子等），這極大地限制了半導體SERS技術的應用。

 

近期，有研究報道發現，Ta2O5、ZnO和SnO2-NiOx等半導體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，半導體SERS基底的電磁增強能力極弱。因此，提高半導體SERS基底的電磁增強能力是拓展半導體SERS技術應用前景的關鍵。

 

在該項工作中，研究團隊設計并制備了具有次級結構的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。

 

研究發現，在這種表面包覆結構不僅可以富集大量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。