清華新聞網(wǎng)9月25日電 表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）是一種高靈敏度和特異性的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、食品安全、醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。近年來(lái)，二維材料（如石墨烯和過(guò)渡金屬二硫化物）因其原子級(jí)平整的表面、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)的電子結(jié)構(gòu)，成為備受關(guān)注的非貴金屬SERS基底。然而，二維材料表面缺乏懸鍵——即二維材料表面惰性，導(dǎo)致分子吸附能力受限，影響了其作為SERS基底的性能。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院雷鈺副教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種等離子體處理二維材料引入缺陷的通用方法，通過(guò)等離子體處理在單層二硫化鎢（WS2）中引入納米孔，顯著增強(qiáng)分子吸附能力。同時(shí)，納米孔濃度的變化引起了WS2的光致發(fā)光光譜從紅移到藍(lán)移的轉(zhuǎn)變，藍(lán)移WS2與待測(cè)分子形成更好的帶隙匹配，極大地提高了電荷轉(zhuǎn)移效率，實(shí)現(xiàn)更低濃度的分子檢測(cè)。
研究團(tuán)隊(duì)利用SERS成像，直接觀(guān)察到分子吸附位點(diǎn)，證實(shí)納米孔作為活性位點(diǎn)的作用。得益于“數(shù)字化”的定量方法，盡管在分子濃度較低時(shí)拉曼信號(hào)強(qiáng)度基本不變，團(tuán)隊(duì)亦可通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)到分子信號(hào)的概率，實(shí)現(xiàn)低濃度下的分子定量檢測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)1×10-20M羅丹明B單分子的檢測(cè)（對(duì)應(yīng)~1%的檢測(cè)概率）。此外，藍(lán)移WS2在檢測(cè)多種染料分子（結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)）和蛋白質(zhì)（肌紅蛋白和β淀粉樣蛋白）方面表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，為開(kāi)發(fā)超靈敏二維SERS基底提供了一種開(kāi)創(chuàng)性的方法，進(jìn)一步增進(jìn)了對(duì)二維材料上SERS機(jī)制的理解。
圖1.等離子體處理WS2的帶隙調(diào)控及SERS性能
圖2.藍(lán)移WS2上低濃度R6G的SERS成像及定量分析
圖3.藍(lán)移WS2作為SERS基底的增強(qiáng)機(jī)制
研究成果以“在單層WS2中設(shè)計(jì)納米孔用于原子級(jí)平整二維表面的單分子成像”（Engineering Nanopore in monolayer WS2 for single molecule imaging on the atomic-scale flat 2D surfaces）為題，于9月19日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授雷鈺為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生何浩琦、2025級(jí)博士生趙明闖和清華大學(xué)化學(xué)系2024級(jí)博士生徐恒越為論文共同第一作者。論文的共同作者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授康飛宇、劉碧錄、馬嵐，副教授干林等，以及美國(guó)麻省理工學(xué)院博士后張?zhí)煲淼?。此外，中?guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所副研究員馮思敏在研究工作開(kāi)展前期給予了重要支持。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)局、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院材料檢測(cè)中心及雙螺旋中心等的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ady2148
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
