全波段表面增强拉曼光谱:基于宽谱局域光增强的纳米结构探测基片

从机场安检到文物鉴别,很多行业对高灵敏度传感器的要求与日俱增。

当激光照射化学/生物分子时会激发不同分子的振动模式并产生非弹性散射(也就是拉曼散射)从而使散射光波长相对于入射波长发生特定的偏移。于是不同分子的独特性质就像指纹识别一样被检测出来。然而拉曼信号一般都非常弱,需要很强的入射光和大量的样品才能被探测到。通过利用表面具有局域场增强的纳米结构探测基片,表面增强拉曼光谱(SERS)技术可以大幅度增强微量生化分子的拉曼信号。但是传统的探测基片也有一些局限,例如固定的纳米结构一般仅适用于一到两个入射激光。如果使用者需要用不同的激光来照射同一种分子样品,单个探测基片就不足以满足实验需求。在这种情况下,人们通常需要使用多个探测基片重复实验,这无疑大大增加了这类多波长探测的实验成本和时间投入。因此,灵敏的拉曼技术尚未成为我们日常生活中广泛应用的探测工具。

这一局面可能会随着新型宽谱局域光增强的纳米结构的实现而被改变。

美国纽约州立大学布法罗分校甘巧强博士和复旦大学江素华博士领导的国际合作研究小组突破性地利用纳米技术制备了大面积低成本的宽谱SERS探测基片。该研究成果将以封面文章的形式发表在近期出版的Advanced Materials Interfaces上。这一突破性进展有望在疾病检测、名画鉴赏、环境污染以及生化武器探测等方面极大地简化探测流程并提升检测水平。

甘老师团队开发的宽谱SERS基片能够把宽谱范围内的激光局限到表面的纳米结构中达到近场增强,从而解决了上述技术难题,实现了同一块基片上的多波长SERS探测。该探测基片包含三层薄膜:他们在玻璃基底上首先镀一层150nm厚的金属膜,其次是一层几十纳米厚的介质层,最后镀一层随机分布的金属颗粒,十分适合大规模量产。

甘巧强老师说:“我们实现了从可见光波段和近红外波段的超宽谱共振吸收,并且把这些光局限在纳米结构周围实现局域场增强,从而可以用于SERS的基片进行生物化学分子的快速检测。”这项研究的团队成员还包括:美国纽约州立大学布法罗分校电子工程系博士生张楠、刘恺、宋昊旻、曾勰、纪登鑫和Alec Cheney,以及复旦大学材料科学系江素华副教授和博士生刘哲郡。

博士生张楠和刘恺介绍说:“它就像一把万能钥匙可以打开很多门一样,对于不同的激发波长你不再需要不同的SERS基片,仅仅一片宽谱探测基片就能进行多波长扫描检测,省时省力又省钱。”

复旦大学江素华博士说:“这一研究意义深远,微量生物化学分子的探测极为重要,并有可能应用到癌症、疟疾、艾滋病等其他全球性疾病的诊断治疗上。我们的宽谱SERS探测基片的优势对探测混合的未知生化分子尤其明显,特别是对艺术品鉴别和考古学相关领域以及空气和水污染检测,对生化武器的探测也有很好的应用前景。”

相关研究得到了美国国家科学基金、上海科学基金、中国国家留学基金委以及美国纽约州立大学布法罗分校马克戴蒙研究基金的资助。

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