深大邵永紅與張晗教授團隊在Coordination Chemistry Reviews發表二維納米材料的等離子傳感應用綜述論文
【成果簡介】
近日，深圳大學副研究員周潔、博士后楊庭強（共同第一作者）和邵永紅、張晗教授（共同通訊作者）在化學頂級刊物Coordination Chemistry Reviews（影響因子13.5，中科院JCR一區top期刊）上發表題為“Two-dimensional nanomaterial-based plasmonic sensing applications: Advances and challenges”的長篇綜述。
表面等離子體激元(SPs)是由Stern和Ferrell于1960年命名的，特指在量子化能量(如光子、電子和聲子)激發下材料表面電子的相干振蕩。典型的SPs有兩種形式:局域表面等離子體激元(LSPs)和表面等離子體激元(SPPs)，兩者是等離子傳感的基礎。當等離子納米材料受到波長大于納米材料尺寸的電磁波(EM)輻射時，就引起電子在納米材料表面的集體振蕩。當表面電子的集體振蕩與入射光的電場匹配時，會發生局域表面等離子體共振（LSPR）。此時，光能被納米材料吸收，導致納米材料表面的局部電磁場高度增強。 與LSPs不同，SPPs是指金屬薄膜表面電子的傳播振蕩。當p偏振光以大于臨界角的角度進入金屬介質表面時，金屬表面會發生全反射現象，產生倏逝波。金屬表面的自由電子被倏逝波激發，形成表面等離子體波(SPW)。當入射光的波矢與SPW的波矢相匹配時會發生表面等離子體共振(Surface plasmon resonance, SPR)，反射光的強度大大降低。倏逝場的穿透深度通常為200nm，遠大于LSPR的衰減距離。SPR和LSPR傳感的基本原理在于等離子體共振條件對周圍介質的折射率(RI)極為敏感。因此，當目標分析物的結合或解離導致折射率發生變化時，可以通過監測SPR和LSPR信號變化實現無標記的傳感。
金屬納米顆粒(NPs)是目前研究最多的金屬納米材料，在可見光區具有明顯的共振吸收帶。金屬NPs的共振吸收峰對周圍介電環境的變化十分敏感。同時，LSPR引起的電磁場增強效應也可以引發表面增強拉曼散射(SERS)等光學現象。然而，金屬NPs具有一些固有的缺點，如成本高、穩定性差、對生物分子的吸附能力差，阻礙了其在等離子傳感中的應用。
近年來，二維納米材料因其優異的物化性能引起研究者的關注，并將其應用于構建等離子傳感器以解決金屬NPs存在的問題。以石墨烯為例，其比表面積大的特性為分子間的相互作用提供了豐富的活性位點。此外，由于石墨烯具有良好的熱穩定性和化學穩定性，還可以作為易氧化金屬NPs的保護層。石墨烯良好的生物相容性也使其成為生物醫學傳感領域優異的候選材料。石墨烯的成功激發了研究者對其他類型二維納米材料的探索,如過渡金屬硫屬化合物(TMDs)、 黑磷(BP)、過渡金屬碳化物、氮化物、碳氮化物(MXene)、六角氮化硼(h-BN)、金屬氧化物等等。他們被廣泛應用于等離子傳感領域。
【圖文導讀】
基于此，該綜述論文分四大部分系統全面地介紹了二維納米材料在等離子傳感中的應用：
（1)二維納米材料的結構和特性，如表1所示。
（2）二維納米材料的合成和基于二維納米材料的等離子傳感器的制備。合成方法包括至下而上構建和至上而下構建，每種方法的優缺點如表2所示。制備方法包括將二維納米材料沉積在基底材料上或在二維納米材料上修飾金屬納米結構。
（3）二維納米材料在等離子傳感中的應用，包括LSPR傳感、SPR傳感和等離子體增強SERS傳感，三個典型的示例如圖1所示。
圖1：（I）二維納米材料在LSPR傳感中的應用（II）二維納米材料在SPR傳感中的應用（III）二維納米材料在SERS傳感中的應用
（4）二維納米材料在等離子傳感中的應用所面臨的挑戰與機遇。
該綜述文章第一作者是深圳大學副研究員周潔博士和博士后楊庭強，通訊作者為深圳大學物理與光電工程學院邵永紅教授和二維材料光電科技聯合實驗室張晗特聘教授。深圳大學為第一作者單位和通訊作者單位。
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