北理工陳南Nat. Commun.: 全碳拓撲結構的納米陣列SERS基底

【研究背景】

表面增強拉曼光譜（SERS）是振動光譜的強大工具，因為它通過激發金屬基板上的局部表面等離振子共振（LSPR），可以提供比固有的弱自發拉曼散射高幾個數量級的靈敏度。但是，SERS對“熱點（hot spots）”的依賴性很強，光熱效果明顯且金屬基底易于氧化，因此傳統基底的重現性、均勻性、生物相容性和耐用性都較差，從而對于將其應用于生物醫學領域來說是不可靠的。

【成果簡介】

近日，北京理工大學陳南教授與東京大學合田圭介教授、肖廷輝研究員等人合作，將一種拓撲結構的全碳多孔納米陣列（PCNA）成功用于高度靈敏、高生物相容和高可重現的SERS基底。在前期工作基礎之上，研究人員利用可除去模板法，結合表面、界面化學修飾與調控，獲得了具有亞納米結構的摻雜多孔碳納米陣列，構筑了一種無金屬（即無LSPR）拓撲納米結構的SERS基底PCNA。研究成果以題為“Porous carbon nanowire array for surfaceenhanced Raman spectroscopy”發表在《自然·通訊》上。

【圖文導讀】

圖一、PCNA底物對比Si、商業金屬基底之上生物分子的SERS

a) β-乳球蛋白分子在硅、PCNA和商業金屬基底上的拉曼光譜測量對比。β-乳球蛋白分子在PCNA基底上的拉曼信號強度是金屬基底上的10倍。

b) β-乳球蛋白在PCNA基底上的b-SERS圖譜顯示，在大尺度和小尺度的兩個特征拉曼位移處，增強因子的表面均勻性分別為1和1μm。

c) 增強因子在大尺度和小尺度上的直方圖對比。

圖二、化學增強機理對PCNA基底起主導作用的理論和實驗的驗證

a) 分子表面的Gaussian16圖。圖中顯示了從HOMO到PCNA-R6G雜化態的兩條電荷轉移路徑，使PCNA表面的R6G分子在785 nm（58 eV）和532 nm（2.33 eV）的波長下共振激發，然而，由于HOMO和LUMO之間沒有激發態，R6G分子不能在785 nm處共振激發，并且可以在532 nm處共振激發，但是具有很強的熒光背景，使得拉曼光譜信號變得較差。

b) 添加和不添加β-乳球蛋白的PCNA基質的吸收光譜，以及用兩個吸收光譜之差得到的電荷轉移帶。

c)比較單個CNA納米線和單個PCNA納米線的電場強度分布，證明電磁增強（EM）的貢獻微小。

d) β-乳球蛋白的拉曼光譜達到高拉曼位移區，沒有明顯的泛音峰和組合帶峰。

【結論展望】

由于PCNA強大的寬帶電荷轉移共振，不僅能提供高信號增強（~10⁶），而且由于沒有“熱點”效應而展示出極高的重現性，由于全碳質地不受氧化作用的影響而具有很高的耐用性，由于良好的熒光猝滅能力從而與生物分子具有高度相容性。通過這些改進，基于PCNA的SERS基底有望在生物醫學取得更廣泛的應用，例如：蛋白質中化學鍵的定量分析，糖尿病檢測的血液中葡萄糖的準確評估以及食品和水中有毒物質的痕量檢測。

文獻鏈接:?Porous carbon nanowire array for surfaceenhanced Raman spectroscopy, (Nat. Commun., 2020, 11, 4772.)

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

本文由作者團隊供稿。