趙冰：半導體基底增強拉曼 生命科學單分子研究的新星
分析測試百科網訊 光譜技術已邁過百年歷史長河。中國的光譜分析技術也可追溯到上個世紀50年代，中國的光譜技術也已經從跟跑到了在部分領域領跑的地位。在這背后，老中青科學家，克服了嚴峻的挑戰、付出了辛勤的汗水。伴隨著第21屆全國分子光譜學學術會議2020年10月底在成都即將召開，中國光學學會光譜專業委員會和分析測試百科網聯合舉辦了“七彩光譜 萬象更新”主題活動。活動將采訪業內的光譜界的一線工作者，探討光譜近年來的發展、最新技術與應用，展望光譜未來發展的新方向，希望可以對廣大光譜愛好與從業者產生更多的啟發。
拉曼光譜尤其是表面增強（SERS）拉曼光譜近年來的研究熱點，在許多領域獲得廣泛應用。分析測試百科網近日采訪到吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室的趙冰教授，他主要分享了半導體表面增強拉曼技術，以及團隊在理論、機理和應用方面的主要研究進展。活性納米半導體材料優越的生物相容性使其在生物科學領域具有巨大的應用潛力，希望本文可以對大家帶來啟發。
吉林大學 趙冰教授
拉曼光譜與表面增強
趙冰首先介紹了拉曼光譜技術發展的幾個里程碑。
第一階段 發現拉曼現象 獲得Nobel獎
1928年，印度物理學家拉曼于1928年用水銀燈照射苯液體，發現頻率為ω0-ω和ω0+ω的明銳邊帶，這種新的分子輻射稱為拉曼散射。拉曼因而獲得了1930年諾貝爾物理獎。上世紀30年代我國物理學家吳大猷在國內也開展了拉曼光譜研究。
第二階段 激光拉曼
1960年后激光器的出現，推動拉曼散射的研究進入了一個全新的時期。激光器單色性好，方向性強，功率密度高，大大提高了激發效率，成為拉曼光譜的理想光源。隨探測技術的改進和對被測樣品要求的降低，目前在物理、化學、醫藥、工業等各個領域拉曼光譜得到了廣泛的應用。
第三階段 表面增強拉曼
1974 年Fleischmann 等人首次觀測到吸附在銀電極表面上單分子層吡啶分子的高質量的拉曼光譜，1977年，Van Duyne和Creighton兩個研究組證實該拉曼信號要比溶液中單個吡啶分子的拉曼信號大約強10^6倍，指出這是一種與粗糙表面相關的表面增強效應，稱為SERS 效應。1997年Kneipp和聶書明兩個研究組分別進行了單分子SERS研究，拉曼增強因子可達10^ 14倍。
談到表面增強拉曼光譜的優點，趙冰表示：首先是單分子級別的高靈敏性。早就有報道利用SERS技術可以達到單分子級別的檢測，并且通過激發波長的選擇和基底的等離子體性質的調控，可以進一步提高SERS靈敏度；其次，SERS光譜具有分子特異性，能提供豐富的指紋信息，可以進行復雜體系中的多重檢測和分子鑒別；第三，SERS操作簡單，快速無損，適用于水體系，許多可以實現生物樣本的快速原位檢測。同時，拉曼光譜和近紅外光譜具有互補性，二者完美結合，可以更廣泛、更精準地應用于各個領域。
SERS表面增強拉曼光譜的優點
半導體基底增強拉曼光譜
深入的理論研究
經過了40多年的發展，SERS活性納米材料已經從貴金屬，過渡金屬擴展到半導體材料。半導體納米材料獨特的光學和電學性質賦予了其電荷轉移拉曼散射增強能力。此外，半導體納米材料良好的生物相容性使其在生物科學領域具有巨大的應用潛力。趙冰研究團隊近年來對SERS活性半導體納米材料開展了一系列研究，并探索了增強機理[1]。
趙冰團隊在金屬氧化物如ZnO、CuO、CdTe、TiO2等納米粒子上觀測到了吸附分子的增強拉曼光譜現象。通過制備不同尺寸的金屬氧化物納米粒子，證實了半導體SERS的尺寸依賴性，并提出了半導體納米粒子到探針分子的電荷轉移（charge transfer，CT）增強機制。電子可以從半導體的價帶激發到半導體的表面缺陷態能級上，形成電子-空穴對，進而躍遷到吸附分子的LUMO能級，經過分子的HOMO能級最終返回到半導體納米粒子，與空穴復合，完成電荷轉移過程（見下圖d）。
半導體-分子系統中的CT路徑（a）分子HOMO到CB，（b）CT復合物到CB，（c）VB到分子LOMO，（d）表面態到分子LOMO和（e）CB到分子HOMO
注：occupied molecular orbital (HOMO) 最高占據分子軌道；lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) 最低未占據分子軌道，CT：charge transfer 電荷轉移
具有SERS活性的金屬氧化物：材料形貌、探針分子、增強因子和增強機理
為了進一步探索半導體SERS的增強機制，趙冰團隊研究了不同金屬離子以及不同離子摻雜量對半導體SERS的影響。研究結果發現，適量金屬離子摻雜對SERS信號的增強具有促進作用：離子摻雜影響半導體納米粒子的表面缺陷，從而影響半導體到探針分子的電荷轉移，進而影響SERS信號的強度。此外，還發現半導體納米粒子本身多聲子振動模式也存在明顯的拉曼光譜增強效應。趙冰團隊進一步發展了以不同的半導體材料為基礎的SERS基底材料，包括ZnS、ZnO和CuO納米晶體、CdTe量子點以及以不同制備方法獲得的TiO2納米粒子等。他們對比了分子吸附在半導體材料與貴金屬材料上的SERS信號的差異，并分析了基于表面等離子體共振（SPR）的電磁場增強與基于CT的化學增強之間的差異。
團隊還將半導體SERS基底與傳統的貴金屬基底相結合，提出了貴金屬和半導體納米粒子協同作用誘導電荷轉移的SERS增強機制 （見下圖）。通過改變復合基底中貴金屬與半導體納米材料的種類與性質，調控貴金屬-半導體納米復合SERS基底中電磁增強與電荷轉移增強的貢獻比例，用以研究SERS增強的理論機制。制備了“金屬-Ag-ZnO-吸附分子”模型研究體系，通過改變金屬的性質調控Ag的費米能級及該費米能級與吸附分子能級的相對位置，使電荷轉移在SERS增強中貢獻中的比例可控，為SERS增強理論的定量化研究提供了重要的依據。
半導體-金屬復合材料的CT路徑（a）半導體到分子到金屬，（b）金屬到半導體到分子，（c）金屬到CT復合物
為進一步定量化研究電荷轉移增強機理，團隊采用層層組裝技術制備了Ag/MPH/n-TiO2、Ag/4-MBA/n-TiO2電荷轉移復合體系，通過調控TiO2的層數n，精確調控TiO2能級，得到了吸附分子拉曼光譜增強效應產生的閾值。 SERS光譜具有特定的選擇定則，不同的振動模式增強效果不同；不同的振動模式拉曼光譜增強的來源也不同，一些增強來源于物理增強（電磁場貢獻），而另一些增強則來源于化學增強（電荷轉移）。利用這一特性團隊設計了以電磁場增強振動模式為內標的定量分析策略，大大提高了SERS在定量分析中的重現性與精度。
應用研究
離子傳感器
金屬氧化物是SERS研究領域中研究最廣泛的半導體材料。趙冰團隊成功地在TiO2納米粒子上觀測到了SERS現象，并首次提出TiO2-to-molecule電荷轉移的增強機制，這種基于化學增強的半導體增強拉曼光譜可用于測定磷酸鹽和六價鉻離子，可用于離子傳感器。課題組的研究表明，使用半導體納米粒子可以顯著提高SERS傳感器的穩定性和光譜重現性，因為高重復性的光譜來源于這些均勻的膠體體系，而并非依賴于SERS“熱點”。
課題組設計了一種半導體SERS傳感器，用于水溶液中磷酸鹽陰離子的檢測。鄰苯二酚可以通過雙齒螯合模式吸附在TiO2表面（SERS on）。當磷酸鹽陰離子在酸性pH條件下預吸附在膠體TiO2 納米粒子表面上時，鄰苯二酚與膠體TiO2 納米粒子之間的螯合作用受到抑制，導致鄰苯二酚分子的SERS強度逐漸降低（SERS off，見下圖a和b）。因此，以這種方式，基于化學機制的第一層效應，通過測量降低的SERS信號實現磷酸鹽陰離子的定量分析。作為擴展研究，利用TiO2 納米粒子的SERS效應實現了選擇性檢測水中的Cr（VI）（見下圖c和d）。探索了茜素紅S （ARS）–TiO2絡合物的SERS機理，發現ARS和膠體TiO2納米粒子之間的強電子耦合導致配體到金屬的CT。在Cr（VI）存在下，膠體TiO2納米粒子作為活性催化劑誘導吸附拉曼探針的自降解。
（a）用于磷酸鹽陰離子檢測的基于膠體TiO2 納米粒子的SERS傳感器的示意圖；在（a1）0，（a2）0.1，（b1）300和（b2）400 mM磷酸鹽陰離子濃度下鄰苯二酚在膠體TiO2 納米粒子上的SERS光譜；（c）ARS–TiO2絡合物在Cr（VI）存在下的光激發催化過程的機理；（d）在不同濃度的Cr（VI）存在下ARS–TiO2絡合物的SERS光譜。
趙冰團隊還探索了基于化學增強貢獻的pH傳感器，化學增強機理與體系所處的介質環境密切相關，可以用來檢測介質環境中的某種變化。基于這個原則，結合Ag/MPH/n-TiO2電荷轉移復合體系獨特的性質，設計了基于化學增強機理的pH傳感器，并對其進行了初步的研究。團隊還采用二維相關SERS光譜技術，對其pH響應機制進行了詳細的分析。
基于化學增強的pH響應。SERS譜峰相對強度Ib2/Ia1隨著pH值的升高而增強；隨著pH值的升高，導帶能級向下彎曲，從而導致達到平衡時，導帶電子密度升高，根據化學增強機理，將使得SERS光譜中非完全對稱模被選性增強。
拉曼在醫學檢測應用中的潛力
談到醫學檢測的發展，趙冰表示：SERS拉曼光譜已應用于肝癌早期準確檢測、促甲狀腺素釋放因子檢測、指紋很集中葡萄糖含量檢測等領域，并發展了一系列基于SERS的細胞活性檢測技術。未來，拉曼在醫學檢測中的發展趨勢是：多信息、多參數的獲取與有效利用；針對檢測目標，實行多判據同時指征。
寄語《光譜學與光譜分析》
作為《光譜學與光譜分析》期刊的長期編委，趙冰對該期刊的發展給予深切的希望：“自創刊以來，《光譜學與光譜分析》即將走過40年的里程。1998年是我第一次正式參加全國分子光譜學術會議，在內蒙古的草原上與主編孟廣政老師有了深入的交流，了解了《光譜學與光譜分析》的歷史及發展。在孟老師的鼓勵下，第一次將我們的一個研究工作投到雜志并于1999年發表。細細數來，20年來我已經在《光譜學與光譜分析》上發表了30余篇文章。”
“隨著時代變遷，人們對論文作用的認識也在變化，《光譜學與光譜分析》起伏發展在所難免。《光譜學與光譜分析》主要承載的是中國光譜研究群體最新、最好成果的展示，同時也是我國較早進入SCI的期刊之一，在化學類學術期刊中占有重要的地位，只要堅持這一點，學術期刊就能長久興旺。”
在即將召開的光譜年會，趙冰表示第21屆全國分子光譜學學術會議集中體現了中國光譜研究最新成果，是國內外光譜界新老朋友匯聚交流的重要場所。希望更多的相關領域研究人員加入中國光譜年會，團結合作，追趕、并行、進而引領國際光譜研究。
附：
趙冰教授畢業于吉林大學。1987年留校任教。隨后在1996年至1997年在日本關西學院大學理學部任客員研究員；1999年至2000年在日本關西學院大學做訪問教授；2001年至2003在美國紐約市立大學做訪問學者；2009年至2010年任韓國江原大學校客座教授。趙冰教授在光譜學里主要方向為紅外光譜、拉曼光譜、表面增強拉曼光譜等對有序分子組裝體結構與性能進行研究。近年來專注表面增強拉曼光譜（SERS）研究。
參考資料：
[1] Semiconductor-enhanced Raman scattering: active nanomaterials and applications, Xiao Xia Bing Zhao et al., Nanoscale, 2017, 9, 4847.
