深圳先進院在半導體表面增強拉曼散射基底研究方面取得進展

2020-11-26 光明網

　　8月7日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所光子信息與能源材料研究中心楊春雷團隊在半導體SERS基底研究方面取得新進展，相關成果以Tunable 3D light trapping architectures based on self-assembled SnSe2 nanoplate arrays for ultrasensitive SERS detection（《基於自組裝二硒化錫納米片陣列的可調陷光結構應用於超靈敏SERS檢測》）為題發表在光電磁功能材料期刊Journal of Materials Chemistry C（2019，DOI: 10.1039/C9TC03715B）上。該文章同時被選為2019 Journal of Materials Chemistry C HOT Papers。碩士生李威威和熊磊為論文共同第一作者，通訊作者為副研究員李光元、陳明及研究員楊春雷。

　　表面增強拉曼散射(SERS)以其超高的靈敏度和無損檢測的特點，已經在物理、化學、生物學、醫學等領域展現了巨大的應用潛力。目前，傳統的SERS基底仍然是金、銀、銅等貴重金屬材料，然而製作成本高、過程複雜，而且重複性和生物相容性差。

　　為了克服這些局限性，基於半導體材料的SERS活性基底以其低成本、良好的生物相容性和高穩定性而受到越來越多的關注。然而，與貴金屬SERS基底相比，半導體材料SERS基底的增強因子(源於電荷轉移機制)相對較弱，不足以用於分子檢測，從而阻礙了其實際應用。

　　採用具有光捕獲結構的半導體材料作為SERS 活性基底已引起越來越多的關注，其中光的多次反射和散射可以提高增強因子。然而，這些半導體SERS活性基底的製備通常需要複雜的工藝，並且這些方法通常導致不均勻和分離的顆粒/薄片，這難以滿足實際應用中高性能和可靠性的需求。在這裡，研究團隊證明通過自組裝生長的SnSe2納米片陣列（NPAs）可以作為均勻、高性能和可靠的SERS基底。SnSe2 NPAs形成的微腔陣列可以有效地捕獲光（最高可達96％），從而改善增強因子。得益於電荷轉移過程和增強的光捕獲能力的協同效應，基於SnSe2 NPAs的SERS基底展示出超低檢測極限（1×10-12 M）、高增強因子（1.33×106）和極好的均勻性（相對標準偏差降至7.7％），達到甚至超過傳統金屬SERS基底的性能，是目前報導的具有最高靈敏度之一的半導體SERS基底。此外，文章還系統地研究了不同SnSe2納米片形成的空間結構（平面與腔體）、SnSe2 NPAs的高度和傾斜角度對SERS性能的影響，研究發現其SERS性能強烈依賴於光捕獲能力和吸收損耗。相關研究結果不僅提供了獲得可調諧、均勻和高性能SERS基底的有效策略，而且對於設計3D光捕獲架構具有重要的指導意義。

　　該研究得到國家自然科學基金委和深圳市基礎研究布局項目等的資助支持。

　　論文連結

圖1 基於自組裝SnSe2納米片陣列的可調諧陷光結構，光捕獲能力最高可達96%。

[ 責編：戰釗 ]

相關焦點

  • 智能所在多功能表面增強拉曼散射基底研究中取得系列進展
    近期，中科院合肥物質科學研究院智能所仿生功能材料研究中心納米材料和環境監測實驗室的劉錦淮研究員、楊良保副研究員等，在可循環多功能的表面增強拉曼散射（Surface Enhance Raman Scattering-SERS）基底的製備和檢測方面取得了系列研究進展。
  • 越來越「精細」的表面增強拉曼研究——第二十屆全國光散射學術...
    本屆大會組委會特別邀請了國內外知名專家學者就近兩年光散射及相關光譜原理和技術等領域的前沿熱點問題進行交流，並增加了儀器研發和應用的相關報告，全力展示中國在光散射領域所取得的最新進展及成果，增進光散射及相關領域科技工作者的交流與合作，促進我國光散射和光譜事業的發展。
  • 智能所利用熱敏性聚合物構築動態表面增強拉曼散射熱點
    近期，中科院合肥智能機械研究所納米材料和環境檢測實驗室劉錦淮研究員和楊良保副研究員等提出了利用熱敏性聚合物構築動態表面增強拉曼散射熱點（Surface Enhance Raman Scattering,SERS）的概念，並取得了研究進展。表面增強拉曼散射效應是一種與納米結構相關的光學現象，它的強弱不但取決於金屬本身，還和納米結構的尺寸、形狀和間距有關。
  • 綜述:MOF用於功能性表面增強拉曼散射
    而表面增強拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering，SERS)光譜神似一燈大師的一陽指：快穩準狠，具有高靈敏性、高選擇性等優點，被應用到生物、食品、環境等領域，為結構表徵、物質相互作用和化學反應機理的解釋提供了不可或缺的信息。
  • 合肥研究院利用表面增強拉曼散射技術監測化學反應獲系列進展
    近期，中國科學院合肥物質科學研究院合肥智能機械研究所劉錦淮研究員課題組楊良保研究員等人在利用表面增強拉曼散射技術（SERS）監測化學反應的研究上取得系列進展。 　　利用具有較高時空解析度的表面增強拉曼散射技術去探索原位催化反應動力學是SERS拓展應用領域的一個重要發展方向。其中，用單顆粒表面增強拉曼散射來研究表面催化反應動力學仍是一項具有挑戰性的難題。
  • 環境汙染物快速分析的表面增強拉曼光譜技術
    該機理認為，當粗糙的貴金屬基底表面受到雷射照射時，貴金屬表面的等離子體被激發到較高的能級並與光波的電場耦合，產生SPR，使金屬表面的局域光電場極大的增強。由於拉曼散射信號的強度和分子所處光電場強度的平方成正比，因此拉曼散射效應也極大增強。
  • 微課堂表面增強拉曼散射(SERS)
    表面增強拉曼散射( SERS) 效應是指採用特殊製備的金屬良導體作為襯底，吸附在襯底上的分子由於表面等離子體共振引起的局域電磁場增強導致吸附分子的拉曼散射信號比普通拉曼散射信號大大增強的現象，最常用的金屬襯底是金和銀。SERS襯底常由研究人員自行製備，但是也有商品化的成品可用於常規分析。
  • 高思敏博士:強致癌物黃麴黴素B1的檢測—表面增強拉曼散射
    11月6日17:00基礎課部高思敏博士在6109教室舉行了題為《強致癌物黃麴黴素B1的檢測—表面增強拉曼散射》的學術報告會。
  • 任斌:定量是表面增強拉曼光譜的絕對挑戰——訪廈門大學任斌教授
    2014年7月29日，在HORIBA拉曼學院活動中，任斌教授的報告從原理、實驗方法到應用等各方面給大家呈現了SERS和針尖增強拉曼光譜(TERS)的發展歷史和最新技術進展。雖然在1928年到1945年之間，拉曼光譜在物質結構的研究中發揮了重要的作用，但信號弱這個與生俱來的缺點在很大程度上限制了其在各方面的應用。直到，1974年，Fleischmann 等人第一次在吡啶吸附的粗糙銀電極上觀察到SERS信號。由於表面增強效應可以使拉曼強度增大幾個數量級，提供了極高的表面檢測靈敏度，為人們刻畫了很好的應用前景，在國際上很快就掀起了SERS研究的熱潮。
  • 同濟大學車順愛課題組在手性分子檢測方面取得重要進展
    同濟大學車順愛課題組在手性分子檢測方面取得重要進展 來源：化學科學與工程學院   時間：2020-05-29  瀏覽：
  • 人物專訪|上海師大楊海峰教授談:表面增強拉曼散射如何投入應用
    日前，儀器信息網特別採訪了楊海峰教授，請他對SERS以及拉曼光譜應用研究的現狀、存在的問題、未來的發展等談談自己的看法。
  • 分子光譜學學術會議:表面增強拉曼四十年
    本次會議中，拉曼，特別是拉曼增強的研究依然是大家看好的領域。在大會報告中就有很多專家及老師介紹了拉曼光譜及表面增強拉曼光譜的技術以及應用進展。《表面增強拉曼四十年：從基礎到應用》為題的報告。我們應該清晰的認識到，表面增強拉曼散射效應就是一種基於納米結構而發展起來的技術。所以，要發展拉曼技術，就要抓住關鍵點，研究怎樣的納米結構才可以最大限度的增強拉曼光譜的信號。　　田中群介紹到，目前拉曼增強方面的研究有兩個「短板」：一個是可以達到增強效果的材料比較少;二是表面形貌，目前只能在納米結構或者粗糙的表面上來得到增強的效果。
  • 表面增強拉曼光譜方法研究生物分子結構與功能
    2001-2003 美國紐約市立大學從事博士後研究工作。曾在英國曼徹斯特大學，日本關西學院大學，韓國江原大學任客座教授和高級訪問學者。研究工作主要是利用光譜學的方法研究各種組裝過程及組裝體結構。包括基於半導體納米粒子SERS基底的理論與應用研究；蛋白質等生物體系結構的SERS研究；SERS方法在環境、醫藥等領域的應用。目前承擔國家重大科研儀器設備研製專項、國家自然科學基金面上項目等課題。
  • 亮點|張永來:雷射畫龍點睛——微流控晶片上的表面增強拉曼散射技術
    微流控晶片在基礎科學和實際應用兩個方面都備受關注，目前已經廣泛應用在化學、環境學、生物學、組織工程學、醫學診斷與治療等諸多領域。微流控晶片上的核心部件是傳感與檢測單元，決定晶片的性能和應用潛力。常用的晶片原位檢測方法包含生物化學檢測、電化學檢測和光學檢測等多種方式。其中，光流檢測技術由於靈敏度高、效率高、非接觸等優點得到了廣泛的應用。
  • 中科院固體物理研究所在貴金屬納米結構組裝及其SERS應用研究方面...
    近期，中科院固體物理研究所孟國文研究員課題組和美國西維吉尼亞大學吳年強教授研究小組合作，在貴金屬納米結構組裝及其表面增強拉曼散射(SERS)應用研究方面取得新進展，相關結果以封面論文發表在
  • 基於單層碳化鈦納米片的無核二維電子氣結構增強拉曼散射
    由於在原子尺度上的高均勻性、強的化學吸附性及出色的生物相容性，非金屬二維超薄納米片被認為是一類非常有前途的表面增強拉曼散射（SERS）基底材料。但是，由於化學增強機制的限制，非貴金屬二維SERS基底的拉曼增強因子仍有待提高。 近日，中國檢驗檢疫科學研究院席廣成研究員和曲阜師範大學易文才副教授提出了無核二維電子氣（2DEG）單層SERS基底的概念，製備了高度結晶的Ti3C2單層納米片並將其組裝為大面積柔性SERS基底，實現了對雙酚A、多氯苯酚等多種有害物質的高靈敏檢測。
  • 使用電化學表面增強拉曼散射探測納米尺度界面
    表面增強拉曼散射（SERS）是一種在一系列電化學應用中研究納米尺度分子-金屬界面的有力工具。
  • 深圳先進院在高性能電磁屏蔽材料研究方面取得新進展
    如何有效增強碳納米管之間的相互作用，提高碳納米管薄膜的力學、導電與屏蔽性能具有重要意義。近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所（籌）孫蓉研究員團隊在國際納米材料領域權威期刊ACS Nano上以Ultrathin Densified Carbon Nanotube Film with 「Metal-like」 Conductivity, Superior Mechanical Strength, and Ultrahigh Electromagnetic
  • 用於細胞檢測的表面增強拉曼技術
    引言：　　表面增強拉曼光譜（Surface-enhanced Raman Spectroscopy， SERS）是指當一些分子被吸附到某些粗糙的金屬表面上時，由於樣品表面或近表面的電磁場的增強導致吸附分子的拉曼散射信號比普通拉曼散射(NRS) 信號大大增強的現象，現已被證明是一種快捷的光譜學檢測方法。
  • 拉曼散射傳感器研究新進展
    近年來，拉曼光譜在生物和醫藥領域的應用引起了人們的極大興趣。相比於紅外和螢光光譜，拉曼光譜特徵峰較窄（<1nm），測試不受生物體系水環境的影響，且具有較高的化學選擇性和靈敏度，這使得拉曼散射成為一種更加有效的生物檢測手段。