前沿 | 电磁增强和化学增强协同工作新策略实现单分子拉曼光谱观测

研究背景

      拉曼光谱学有着悠久的历史，是当代分析化学的一个标准技术。拉曼散射携带了分子结构中许多关键的特征信息，是分子独一无二的指纹谱，然而过于微弱的信号强度掣肘了拉曼散射用于实际的光谱应用。上世纪六十年代，激光器的发展提供了更强的激发光源，使较高分子浓度下的拉曼光谱采集成为了现实。然而，要达到可检测的拉曼信号强度，在激光能量较高的前提下，仍需要待测分子达到相较于吸收和发射光谱所需的高得多的浓度。一方面，高能激光对有机分子和生物组织等的破坏，限制了拉曼光谱应用的广度，另一方面，高测试浓度也使其无法在基础的科学问题中发挥应有的潜力。1974年，表面增强拉曼效应（SERS）的发现为这种困境带来了破局的机会，最初是银电极粗糙表面随机形成的纳米间隔中吸附的分子拉曼信号被偶然发现会被极大地增强，其原理是金属纳米间隔结构形成的等离激元共振使入射光和散射光得到数个数量级的放大，其增强机制被称为“电磁增强机制”。之后金属表面和二维材料等也被发掘出能通过与待测分子产生电荷转移的方式，以接触的方式增强拉曼散射，这种增强机制被称为“化学增强机制”。

论文导读

      经过近五十年的发展，SERS技术取得了巨大的进步，但是距离终极目标：将拉曼信号增强到可媲美荧光强度的水平，以实现快速可靠的单分子识别及检测，还有相当大的距离。为实现这个伟大的目标，还需要继续探索新拉曼增强机制。

      业界公认，SERS的增强来源可以总结为两种机制：电磁增强机制（EME）和化学增强机制（CME）。电磁增强机制源自于贵金属的纳米结构之间形成的等离激元共振，可以呈数量级地增强局域内的电磁场强度，形成所谓的“热点”，“热点”的强度取决于金属的成分、纳米结构和尺寸以及结构中间隔的距离，是一种与待测分子无关的远程效应。目前，基于这种机制的增强已经可以达到10个数量级左右。而化学增强机制被认为是待测分子与其吸附的表面之间发生了电荷传递，为发生拉曼散射的电子提供了增幅。化学增强是源于直接接触的短程效应，待测分子与其吸附的表面之间发生了电荷传递，提升了参与可发生拉曼散射的电子态的数量。分子和表面材料的能级都会对其造成影响，近来获得广泛关注的半导体二维材料——过渡金属硫族化物由于其直接带隙特性，有相当的潜力作为拉曼光谱的化学增强基底，与能级匹配的分子搭配工作，可以提供3至5个数量级的拉曼增强。

主要研究内容

      电磁与化学两种增强机制相互平行、独立工作，如果能够以合适的策略将两者的效果有效地叠加在一起，协同工作，或可以突破单分子拉曼成谱的瓶颈。基于上述这种朴素的加和理念，在计算机模拟的辅助下，团队用金纳米颗粒和镀层金膜并覆盖了一层二氧化硅的硅片搭建了一个简单的等离激元光学纳腔，筛选了罗丹明B（RhB）和二维材料二硫化钨作为匹配的待测分子和吸附表面，将两者组合在一起，形成了电磁和化学增强机制协同工作的拉曼增强基底。组装过程是将吸附了RhB分子的单层二硫化钨附着到覆盖着金膜的二氧化硅隔离层（调控纳腔间距）上，随后滴加金纳米颗粒，使其“坐落”到分子上并形成上述的光学纳腔。这样，分子就能在有电磁增强效应的“热点”中与二维材料同时发生电荷转移作用并获得化学增强效应。团队用这种基底和一系列对照样品，发现了激动人心的结果：在显微拉曼光谱系统下进行了逐点（每点步长1μm）的拉曼光谱采集，最低在10^-18 M罗丹明B浓度（每片滴加20 μl，平均约12个分子，5 mm × 5 mm）的条件下实现了拉曼成谱，并以罗丹明B分子拉曼谱中1650波数左右的峰位信号为标的（对应氧杂蒽中苯环的平面内键伸缩振动模），扫描并定位到了数个点位强度基本一致的拉曼信号。

      该文于2024年2月29日以Observation of single-molecule Raman spectroscopy enabled by synergic electromagnetic and chemical enhancement为题发表于PhotoniX。

技术突破

      团队在该工作的准备和进行中对表面增强拉曼光谱（SERS）的两大增强机制——电磁增强（EME）和化学增强（CME）进行了深入的研究和探索。通过缜密的理论分析和精心的实验研究，成功设计出了最大化这两种机制协同作用的微纳结构，实现了对单分子拉曼检测的理论和实验体系的奠基。

      在实验方面，本文以二维材料单层WS₂为基底，其对吸附的RhB分子，提供了高达5个数量级的化学增强因子。并且二维材料本身超薄的特性，使其可以适配金属纳腔达到最强的等离激元共振所需的间距尺寸，从而叠加上更为巨大的电磁增强效应。下图为本文所用双机制增强单分子拉曼基底的结构示意图：

      如图所示，基底的金镀层与金纳米颗粒形成了一个纳米间隙，两者之间通过一层透明的二氧化硅调控间距，以在局域内获取最强的等离激元共振效应，而插入在其中的二维材料与分子之间通过电荷转移效应来提供化学增强效应，最后在浓度极低至10-18mol/L的条件下，在标准的Raineshaw显微拉曼光谱仪中成功测量获得了单分子的拉曼光谱。与无增强的对照组相比，SERS增强因子达到了约10¹⁶。在增强因子和检测极限这两个根本性指标上，本项实验比起已有文献报道的最好结果均有大幅度的提升，充分展示了EME和CME协同工作的拉曼增强机制的强大威力。

      进一步的，该系统下，RhB分子最强的拉曼振动峰之一为1650 cm^-1，以此为标的，本工作实现了以单分子拉曼信号在微区对片上分子的示踪与成像：

      如图所示，在超低浓度下，分子基本上都是以单体形式存在，随着浓度增长，单分子信号出现的频率逐渐提高。当浓度超过10^-10M时，才开始出现明显的多聚体和成片的高强度信号。

观点评述

      本文设计并通过实验验证了一种综合EME和CME的拉曼增强方法，并获得了16个数量级的增强因子，实现了单分子的拉曼成谱和成像。该方案进一步地拓展，在单分子的条件下，实现对分子进行快速-原位的动力学分析，为其物理、化学的基础机制实验研究拓宽了强有力的技术路径。本底信号的增强为减小光源强度，缩短曝光时间等也提供了空间，意味着可以在小至便携级别的拉曼光谱下进行精细的谱学分析，或者对样品进行快速大面积高通量的筛选和拉曼光谱采集（目前已经推进到了毫秒级别的曝光时间，一次积分清晰成谱）。综合利用二维材料与分子间的电荷转移以及等离激元共振增强局域电磁场的方法论，不仅适用于拉曼增强，还有其他更多可能的应用场景，比如单分子催化、荧光增强和微纳光电器件等等。另外，替换光学纳腔的组成和结构，改变二维材料的材质以及组成异质结等方法，也为这套简单的结构提供了更多的可扩展性。

主要作者

      李志远，本文通讯作者，国家杰青，华南理工大学物理与光电学院教授，副院长，人工光、声微结构物理实验室主任，从事微纳光子学、非线性光学、激光技术、拓扑光子学和量子物理中的理论、实验和应用研究近30年，已在PRL, Science Advances, Chem. Soc. Rev., JACS, Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Light等物理学、光学、化学和材料学期刊上发表SCI论文近500篇，被SCI引用33,000次，H-index为86，现任《光子学报》副主编。提出了本文的主题，全程指导了工作的推进，并对论文的撰写和修改进行了严格把关。

      杨海遥，本文第一作者，华南理工大学物理与光电学院博士生，本科毕业于天津大学化工学院，研究生期间一直从事纳米材料的开发、应用与表征研究，2019年以第一作者在Nat. Comm.发表的文章已达492次引用。在本论文中设计并实施了主要实验工作，采集并分析了文中的所有数据，论文主体的主要撰写人。

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