【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】表面增強(qiáng)拉曼技術(shù)(Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS)是無損、高靈敏、高特異性光譜技術(shù)，在反應(yīng)監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)檢測、環(huán)境監(jiān)測等學(xué)科中頗具應(yīng)用價值。近年來，半導(dǎo)體SERS基底的性能調(diào)控備受關(guān)注。然而，半導(dǎo)體SERS增強(qiáng)效果普遍較弱，難以應(yīng)用于散射截面較小的無機(jī)物質(zhì)的檢測，因此研究人員致力于尋找可以提升半導(dǎo)體基底SERS性能的策略，從而提升半導(dǎo)體SERS基底對無機(jī)物質(zhì)的響應(yīng)性。
 

　　基于這一研究目標(biāo)，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員趙志剛團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一系列不同尺寸的氧化鉬納米晶和量子點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了小尺寸的量子點(diǎn)在晶格缺陷和尺寸效應(yīng)的雙重作用下SERS性能顯著提升，提出了基于多重共振耦合電荷轉(zhuǎn)移路徑實(shí)現(xiàn)高效化學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)的SERS作用機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)了對無機(jī)小分子聯(lián)氨(N2H4)的低濃度檢測。
 

　　如圖1所示，量子點(diǎn)產(chǎn)生了明顯的帶隙變化和熒光發(fā)光現(xiàn)象，可以歸結(jié)為尺寸限域效應(yīng)和小尺寸半導(dǎo)體中產(chǎn)生多重缺陷能級的共同作用。如圖2所示，量子點(diǎn)對多個探針分子產(chǎn)生了靈敏SERS響應(yīng)，其中，對無機(jī)小分子聯(lián)氨具有良好的SERS性能。研究通過進(jìn)一步的表征得出量子點(diǎn)表面聯(lián)氨分子的檢測性能具有明顯的尺寸依賴性，且在2 nm尺寸下的極限濃度為4*10-5 mol/L。如圖3所示，研究分析不同尺寸下能帶結(jié)構(gòu)的變化，提出了2nm量子點(diǎn)高效SERS效應(yīng)的機(jī)制為由于尺寸限域效應(yīng)和晶格缺陷共同作用下能帶結(jié)構(gòu)中存在的多重共振耦合電荷轉(zhuǎn)移路徑。
 

　　該研究首次實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體SERS基底對無機(jī)小分子直接、靈敏的檢測，對拓寬半導(dǎo)體SERS基底的應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)研究成果以Quantum Effects Enter Semiconductor-Based SERS: Multiresonant MoO3·xH2O Quantum Dots Enabling Direct, Sensitive SERS Detection of Small Inorganic Molecules為題，發(fā)表在Analytical Chemistry上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院等的支持。
 

圖1.量子點(diǎn)能帶結(jié)構(gòu)和熒光發(fā)光效應(yīng)表征
 

圖2.量子點(diǎn)的SERS性能表征譜圖
 

圖3.量子點(diǎn)高效SERS性能作用機(jī)制示意圖