北理工陈南Nat. Commun.: 全碳拓扑结构的纳米阵列SERS基底

【研究背景】

表面增强拉曼光谱（SERS）是振动光谱的强大工具，因为它通过激发金属基板上的局部表面等离振子共振（LSPR），可以提供比固有的弱自发拉曼散射高几个数量级的灵敏度。但是，SERS对“热点（hot spots）”的依赖性很强，光热效果明显且金属基底易于氧化，因此传统基底的重现性、均匀性、生物相容性和耐用性都较差，从而对于将其应用于生物医学领域来说是不可靠的。

【成果简介】

近日，北京理工大学陈南教授与东京大学合田圭介教授、肖廷辉研究员等人合作，将一种拓扑结构的全碳多孔纳米阵列（PCNA）成功用于高度灵敏、高生物相容和高可重现的SERS基底。在前期工作基础之上，研究人员利用可除去模板法，结合表面、界面化学修饰与调控，获得了具有亚纳米结构的掺杂多孔碳纳米阵列，构筑了一种无金属（即无LSPR）拓扑纳米结构的SERS基底PCNA。研究成果以题为“Porous carbon nanowire array for surfaceenhanced Raman spectroscopy”发表在《自然·通讯》上。

【图文导读】

图一、PCNA底物对比Si、商业金属基底之上生物分子的SERS

a) β-乳球蛋白分子在硅、PCNA和商业金属基底上的拉曼光谱测量对比。β-乳球蛋白分子在PCNA基底上的拉曼信号强度是金属基底上的10倍。

b) β-乳球蛋白在PCNA基底上的b-SERS图谱显示，在大尺度和小尺度的两个特征拉曼位移处，增强因子的表面均匀性分别为1和1μm。

c) 增强因子在大尺度和小尺度上的直方图对比。

图二、化学增强机理对PCNA基底起主导作用的理论和实验的验证

a) 分子表面的Gaussian16图。图中显示了从HOMO到PCNA-R6G杂化态的两条电荷转移路径，使PCNA表面的R6G分子在785 nm（58 eV）和532 nm（2.33 eV）的波长下共振激发，然而，由于HOMO和LUMO之间没有激发态，R6G分子不能在785 nm处共振激发，并且可以在532 nm处共振激发，但是具有很强的荧光背景，使得拉曼光谱信号变得较差。

b) 添加和不添加β-乳球蛋白的PCNA基质的吸收光谱，以及用两个吸收光谱之差得到的电荷转移带。

c)比较单个CNA纳米线和单个PCNA纳米线的电场强度分布，证明电磁增强（EM）的贡献微小。

d) β-乳球蛋白的拉曼光谱达到高拉曼位移区，没有明显的泛音峰和组合带峰。

【结论展望】

由于PCNA强大的宽带电荷转移共振，不仅能提供高信号增强（~10⁶），而且由于没有“热点”效应而展示出极高的重现性，由于全碳质地不受氧化作用的影响而具有很高的耐用性，由于良好的荧光猝灭能力从而与生物分子具有高度相容性。通过这些改进，基于PCNA的SERS基底有望在生物医学取得更广泛的应用，例如：蛋白质中化学键的定量分析，糖尿病检测的血液中葡萄糖的准确评估以及食品和水中有毒物质的痕量检测。

文献链接: Porous carbon nanowire array for surfaceenhanced Raman spectroscopy, (Nat. Commun., 2020, 11, 4772.)

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18590-7

本文由作者团队供稿。